145
5.
Sviluppo
di
un
Secondo
Sistema
di
Acquisizione
I test di validazione effettuati hanno mostrato le problematiche derivanti dall’adozione delle videocamere Misumi per quanto concerne la risoluzione e la qualità delle immagini. A questa specifica si aggiunge anche la richiesta di ottenere un sistema di acquisizione stereoscopico con sezione massima da 12mm, in modo tale da far passare il sistema direttamente dalla porta per chirurgia SPL, e non più dall’incisione ombelicale. Dato che la finalità del dispositivo resta quella dell’applicazione in chirurgia SPL, il range di visione stereoscopica richiesto resta invariato.
Per rispettare queste nuove specifiche sono state scelte dei moduli di visione prodotti da ST, che presentano una risoluzione di 2 megapixel, dimensioni compatte e una elevata qualità delle immagini. La scelta di videocamere non commerciali ha però imposto la necessità di sviluppare una scheda elettronica che ne garantisse il funzionamento.
Nel presente capitolo verranno dapprima descritte le nuove videocamere utilizzate e il loro dimensionamento, analogo a quanto fatto per il primo prototipo. Successivamente, verrà descritto lo sviluppo della scheda elettronica, la sua realizzazione. Infine verranno presentati gli sviluppi futuri per il sistema di acquisizione realizzato.
5.1 Scelta delle Nuove Videocamere
Nel paragrafo vengono descritte le nuove videocamere selezionate e il nuovo dimensionamento del sistema per garantire una corretta visione stereoscopica in un range di profondità idoneo all’applicazione in SPL, quindi 50÷150mm.
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5.1.1 Descrizione delle videocamere selezionate
Per il secondo dispositivo sono state utilizzate le videocamere della STMicroeletronics, modello VW7654, il cui disegno è mostrato il figura 5.1 mentre in figura 5.2 è riportato il loro schema funzionale.. Queste ultime presentano delle caratteristiche idonee alle specifiche imposte: una risoluzione di 1616×1208 (ovvero 2 Megapixel) e un package compatto, 5mm×5mm×3,8mm. La qualità delle immagini ottenute è garantita dalla presenza, all’interno del Video Engine, di un filtro a media mobile e di circuiti dedicati che garantiscono un SNR di 36dB.
Figura 5.1. Videocamere VW6754 della STM.
Figura 5.2. Schema funzionale dei moduli di visione VW6754.
Per il controllo e il funzionamento delle videocamere è però richiesto il collegamento ad un Imaging Processor della stessa casa produttrice, in particolare l’STV0986. Il fornitore ha però fornito, oltre alle videocamere, anche l’intera scheda di sviluppo: comprensiva di una scheda elettronica con il processore (figura 5.3), di una board per il collegamento con un PC (figura 5.4) e il software, sotto forma di eseguibile, per la visualizzazione delle immagini ottenute. Il principale problema derivante dalla scheda di sviluppo fornita è che essa è capace di gestire una sola videocamera alla volta.
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Figura 5.3. Scheda, fornita dal produttore, contenente l’Imaging Processor STV0986.
Figura 5.4. Board di connessione al PC, fornita dal produttore delle videocamere.
Dato che questo tipo di moduli di visione non sono di tipo commerciale si è reso necessario lo sviluppo di una circuito integrato nel quale inserirli. In particolare, le videocamere VW6754 presentano una interfaccia di tipo Ball Grid Array (BGA), ovvero una griglia di sfere di stagno poste sulla superficie inferiore del package. Questa soluzione presenta quindi una elevata densità di connessioni, una migliore conduzione del calore prodotto dal dispositivo al di fuori del package e una minore impedenza di connessione. La mappa del pinout dei moduli, riportata nel loro datasheet, è mostrata in figura 5.5.
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Figura 5.5. Pinout del moduli VW6754.
Un ulteriore vantaggio di questo tipo di moduli deriva dal fatto che i frame video in uscita (indicati con Compact Camera Port, CCP) sono inviati al processore per mezzo di due coppie di segnali differenziali (Low-voltage differential signaling, LVDS). La bassa ampiezza dei segnali e lo stretto accoppiamento elettrico e magnetico tra i due conduttori riduce notevolmente l’apporto di rumore elettromagnetico (EMI) e le perdite dovute alla resistenza del conduttore usato per la trasmissione. Questo tipo di strategia ben si adatta alla trasmissione a distanza (1÷2m) dei segnali video, che sono ad alta frequenza, e quindi risulta congeniale per il sistema di acquisizione in fase di sviluppo, nel quale le videocamere si troveranno distanti dalla scheda con il processore.
Un problema analogo sarebbe riscontrabile per i segnali di controllo (Camera Control Interface, CCI) che, dal processore, giungono alle videocamere. Anche in questo caso la comunicazione a distanza può avvenire senza perdite in quanto i segnali di controllo viaggiano ad una frequenza di 400kHz, quindi non così elevata da causare dei problemi di perdite a causa della linea di trasmissione.
5.1.2 Dimensionamento del sistema di acquisizione
In questo secondo prototipo non era possibile scegliere la distanza tra i centri delle due videocamere in quanto il vincolo imposto sul diametro massimo del dispositivo, 12mm, e le dimensioni delle videocamere obbligavano a posizionarle l’una affianco all’altra. Il modello di dimensionamento descritto nel paragrafo 3.2 è quindi stato applicato in maniera inversa: ovvero per calcolare il range stereoscopico che si sarebbe ottenuto ponendo i centri delle due videocamere alla distanza di 5mm. La tabella di seguito riassume i parametri ottici e geometrici di questo secondo prototipo.
Simbolo Descrizione Valore
e Distanza interoculare 65mm f Lunghezza focale delle videocamere 2.8mm
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θ Angolo di apertura delle videocamere 50°
Wschermo Dimensione orizzontale dello schermo 375mm
µ Disparità angolare massima fisiologica ±1.5° Z Distanza di visione dallo schermo 800mm dmin Profondità minima di visione stereoscopica Da calcolare
dmax Profondità massima di visione stereoscopica Da calcolare
M Fattore di amplificazione di frame Da calcolare t Distanza tra i centri delle due videocamere 5mm d0 Distanza, nella scena, dal piano a disparità nulla Da calcolare
Tabella 5.1. Schema riassuntivo dei parametri ottici e geometrici del secondo prototipo.
Il primo parametro che occorre ricavare è il fattore di amplificazione di frame, M, che è così definito: CMOS schermo W W sensore e orizzontal Ampiezza schermo e orizzontal Ampiezza M = = _ _ _ _ (5.1)
Occorre quindi calcolare prima la dimensione orizzontale del sensore WCMOS. Nota la lunghezza
focale della videocamera e il suo angolo di apertura è però facilmente verificabile che:
mm f WCMOS 2.61 2 tan 2 = = θ (5.2)
Si ottiene così un fattore di amplificazione di frame M di valore 143,7. Di conseguenza, invertendo il seguente sistema di equazioni:
− = − = max 0 max min 0 min 1 1 1 1 d d Mtf P d d Mtf P (5.3)
e considerando dei valori massimi e minimi di parallasse pari a ±21mm, si ottiene una distanza dal piano a disparità nulla d0 =58,46mm, una profondità massima di visione stereoscopica
mm
dmax =150 e una distanza minima dmin =36,30mm. Si osserva quindi come, con le nuove videocamere e una configurazione molto più ravvicinata dei due centri, il range stereoscopico aumenti in maniera significativa.
5.2 Progetto e Realizzazione della Scheda Elettronica di Acquisizione
Per il progetto e il disegno della scheda elettronica necessaria per il funzionamento delle videocamere ci si è basati principalmente sulle informazioni e gli schematici presenti nel datasheet fornito dal costruttore e sui disegni schematici della scheda contenente il processore, col la quale era
150 necessario interfacciarsi. Inoltre, la scheda avrebbe integrato anche il sistema di illuminazione, bastato anche in questo caso su 4 LED disposti sopra e sotto le videocamere. Non era infatti possibile circondare le videocamere con un numero superiore di LED a causa del ristretto spazio a disposizione. Tuttavia i risultati del modello teorico, già dimostrati con gli esperimenti eseguiti con il primo prototipo, ci garantivano una illuminazione uniforme ed adeguata della scena.
5.2.1 Progetto e disegno schematico della scheda
In figura 5.6 è mostrato lo schema funzionale di interfaccia tra le videocamere e il processore. Da tale schematico è possibile individuare i segnali principali necessari per il corretto funzionamento delle videocamere. In figura 5.7 sono invece mostrati, nel particolare, le passività e i segnali richiesti da ogni videocamera.
Figura 5.6. Schema applicativo del processore STV0986.
151 L’interfaccia elettronica è quindi così composta:
• Segnali CCP2, un collegamento dati a 4 fili e a bassa interferenza elettro-magnetica (EMI), con massimo data-rate di 650Mbps;
• Segnali CCI, l’interfaccia di controllo della videocamera a due cavi e compatibile con lo standard I2C, con massimo data-rate di 400kHz;
• Clock esterno a bassa frequenza (6÷27MHz);
• Segnale di abilitazione del chip, chiamato XSHUTDOWN; • Alimentazione analogica (2,4÷2,9V);
• Alimentazione digitale (1,8V).
Il clock di riferimento esterno deve essere fornito parallelamente al processore e alla videocamere per garantirne la sincronizzazione. Tuttavia, in questo caso, per il corretto funzionamento delle videocamere il segnale di clock doveva trovarsi nelle loro immediate vicinanze, per evitare problemi legati allo sfasamento e alla distorsione lungo la linea di trasmissione. Nel circuito stampato doveva quindi essere inserito un oscillatore capace di garantire sia un valore di frequenza che una ampiezza di oscillazione capaci di far funzionare correttamente le videocamere. Per quanto riguarda la frequenza di oscillazione, il produttore specifica che all’interno della videocamera è presente un blocco Phase-locked loop (PPL) capace di generare tutti i segnali di sincronismo interni da un range di frequenza in ingresso compresa tra 6Mhz e 27Mhz. In particolare, il produttore non specifica che le prestazioni del modulo siano dipendenti dalla frequenza del clock esterno; ciò significa che sono garantite le performance massime in tutto il range di frequenza dichiarato, e che ciò che cambia è solamente il fattore moltiplicativo del blocco PLL. Altro vincolo importante è dato dall’alimentazione dell’oscillatore. In particolare, le videocamere lavorano con una tensione digitale di 1,8V e dunque quest’ultimo valore sarà anche equivalente al livello logico alto dei circuiti digitali interni. Di conseguenza, per essere riconosciuto, anche il segnale di clock doveva avere il medesimo valore alto di 1,8V. Infine, dato che negli oscillatori integrati il valore di alimentazione è circa pari al valore alto del clock generato, è stato cercato un oscillatore con alimentazione di 1,8V. Per limitare gli effetti delle distorsioni e degli sfasamenti del segnale di clock dovuti alla trasmissione fino al processore, si è scelta come frequenza di oscillazione il valore commercialmente disponibile più vicino al limite inferiore richiesto dalle videocamere. In particolare, l’oscillatore scelto è il modello ESC 2018 perché presenta una frequenza di clock di 7,3MHz, un valore di alimentazione di 1,8V e anche le minori dimensioni possibili (2,5mm×2mm×0.9mm).
152 Il segnale XSHUTDOWN è un segnale asincrono di reset del sistema ed è gestito direttamente dal processore. Dato che di questo segnale è importante il valore assunto e non la transizione, non vi erano problemi nella sua trasmissione a distanza.
I segnali di controllo della videocamera, chiamati Camera Control Interface (CCI), rappresentano una interfaccia compatibile con il protocollo I2C; in particolare, la videocamera risulta sempre essere lo slave mentre il processore è il master della comunicazione e del bus di collegamento. Tale interfaccia è costituita da due segnali: il serial data line (SDA) e il serial clock line (SCL). Questi ultimi hanno una frequenza massima di 400kHz e quindi possono essere inviati a distanza senza eccessive dispersioni nel mezzo di trasmissione. Da un punto di vista circuitale, la loro connessione con i dispositivi richiede una resistenza di pull-up che però è già integrata nei pin delle videocamere come indicato sul datasheet.
Lo standard Compact Camera Port (CCP2) definisce invece l’interfaccia di trasmissione dei segnali video. In particolare, è basato su quattro segnali ed uno schema di segnalazione chiamato SubLVDS, basato su due coppie di segnali differenziali. Ciò consente l’invio anche a distanza di elevate velocità di dati e con basso EMI. Tale substrato supporta inoltre una velocità massima di trasferimento di 416MHz. Come mostrato in figura 5.7, ogni coppia di segnali richiede una richiusura resistiva di valore 100Ω. Tuttavia, nel datasheet del processore STV0986 si dichiara che tali resistenze sono già integrate nei pin corrispondenti e quindi non è stato necessario inserirle nel PCB realizzato.
Il disegno schematico del circuito, realizzato con il programma Eagle®, è mostrato in figura 5.8.
153 Le capacità sull’alimentazione servono per filtrare il rumore: in realtà la cosa migliore sarebbe stata quella di metterne due, una per ogni pin di alimentazione delle due videocamere, ma purtroppo non vi era abbastanza spazio e quindi ne è stata utilizzata una sola. Dato però che le distanze in gioco sono piccole anche questa configurazione è accettabile.
In aggiunta ai collegamenti mostrati nello schema applicativo di figura 5.7, è stato aggiunto un jumper capace di separare il segnale di clock generato dall’oscillatore da quello inviato alla videocamere e al connettore per il processore. Tale componente è stato inserito per verificare l’effetto sul funzionamento delle videocamere quando il segnale di sincronia viene generato a distanza. Inoltre, è stato inserito un punto di cortocircuito tra il conduttore di ground digitale, la schermatura presente all’interno della videocamera (indicata in figura con SHIELD) e il segnale di riferimento interno del modulo, indicato con GND. Tale cortocircuito deve essere eseguito su di uno stesso nodo e con elevata resistività perché ha la funzione di filtrare il rumore ad alta frequenza che si genera nei conduttori di riferimento.
Dati i risultati ottenuti con il prototipo precedente, per l’illuminazione sono utilizzati nuovamente 8 LED Nichia. La configurazione in questo caso è però vincolata dallo spazio a disposizione e quindi non poteva essere scelta. Il modello implementato e i risultati della sua verifica sperimentale ci consentono però di garantire una illuminazione uniforme della scena e capace di sfruttare al massimo la dinamica delle videocamere (anche in questo caso pari a 60dB). Purtroppo non è stato possibile alimentare i LED sfruttando una delle alimentazioni delle videocamere in quanto il valore più alto disponibile, ovvero il riferimento analogico, è pari a 2,9V, un valore insufficiente a portare in conduzione i LED scelti. È quindi stato necessario inserire un ulteriore valore di alimentazione, pari a 3,6V, e inserire anch’esso, assieme alla sua massa, nel connettore centrale. In questo caso si è scelto di cortocircuitare direttamente sulla scheda il pin di ENABLE dei driver, risparmiando così un ulteriore cavo in uscita. Per il dimensionamento del valore della resistenza è stato sfruttato il medesimo procedimento riportato nel paragrafo 3.3.4, ottenendo un valore di RSET pari a 13,3kΩ.
5.2.2 Routing e realizzazione del circuito integrato
Per il disegno della scheda e il routing è stato utilizzato il programma Eagle®. Il primo passo affrontato è stato quello del disegno e il salvataggio in librerie del packaging delle videocamere e degli altri componenti utilizzati nella scheda. Per le prime (figura 5.9) è stato utilizzata la mappa delle connessioni (figura 5.5) e le specifiche dimensionali riportate sul datasheet. Medesima operazione è stata eseguita anche per l’oscillatore (5.10). I package dei driver e dei LED sono state
154 invece prese dalla precedente scheda elettronica di illuminazione. per i driver e per i LED. Le resistenze e le capacità scelte sono state scelte con package di tipo 0402, per diminuirne l’ingombro.
.
Figura 5.9. Package delle videocamere.
Figura 5.10. Package dell’oscillatore ESC 2018.
La scheda è a 4 strati a causa dell’elevato numero di piste da sbrogliare e di forma circolare per adeguarsi ai supporti meccanici in fase di sviluppo. Il diametro è imposto dalle specifiche di dover rientrare in un trocar da 12mm e quindi è pari alla diagonale di 11,2mm. A causa delle tolleranze sulla dimensione delle videocamere di ±0.1mm in realtà gli spigoli delle videocamere andranno ad eccedere la dimensione del circuito integrato. Ciò non ha costituito un problema in quanto la ditta che si è occupata dell’assemblaggio ci ha garantito la possibilità di assemblarle comunque. Tuttavia, non è stato possibile escludere la tolleranza tra le videocamere, che risultano quindi separate da 0,1mm: ciò perché altrimenti la loro saldatura sulla scheda risultava difficoltosa.
Inoltre, le specifiche imposte dalla ditta Tecnomec s.r.l., che si è occupata della realizzazione del circuito stampato, imponevano una distanza minima critica tra componenti e tra piste di 100µm. La scheda è tuttavia stata realizzata portando tale valore a 120µm, per non rendere eccessivamente critica la produzione della scheda.
155 Il routing (figura 5.11) è stato eseguito cercando di ottenere una configurazione il più ordinata e simmetrica possibile per minimizzare il rumore presente nel circuito. Inoltre, si è cercato di evitare di disegnare piste che presentassero angoli retti, poiché questi ultimi sarebbero divenuti punti di accumulazione di cariche, generando così rumore elettronico.
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Figura 5.11. Routing della scheda elettronica.
Il posizionamento dei connettori con i segnali di uscita dalla scheda è stata dettato da esigenze pratiche dovute al poco spazio a disposizione. In particolare, i due connettori esterni sono collegati ai segnali specifici di ogni videocamera, come l’interfaccia di comunicazione dati, quella di controllo e l’abilitazione. Nel connettore centrale sono invece posti i segnali a comune tra le due videocamere, come le alimentazioni e il clock.
Per lo sbroglio dei segnali provenienti dalle videocamere non era possibile utilizzare delle vie poste sulla superficie immediatamente sottostante le videocamere in quanto la loro superficie inferiore è metallica e quindi si rischiava di creare dei dannosi cortocircuiti. È perciò stato necessario porre delle vie direttamente sulle piazzole dei BGA Ciò non ha causato problemi realizzativi in quanto la ditta Tecnomec s.r.l. è capace di realizzare questo tipo di connessioni su di un circuito integrato a 4 strati.
Le piste per l’alimentazione e per i riferimenti di massa hanno spessore maggiore delle altre per diminuire la resistenza e quindi il rumore introdotto. La soluzione migliore sarebbe stata quella di inserire un piano di massa e uno di alimentazione però non c’era abbastanza spazio. In alcuni casi sono comunque state create delle isole sulle piste così da diminuire la resistenza globale dei percorsi di massa. Il cortocircuito tra i segnali DGND, SHIELD e GND è stato posto su di un singolo nodo
156 per minimizzare il rumore in quanto filtra le oscillazioni ad alta frequenza. Inoltre, le piste che portano i tre segnali al punto di collegamento sono di spessore inferiore alle altre per avere una resistenza più elevata e quindi filtrare meglio il rumore ad alta frequenza. D’altra parte, aumentando il valore della resistenza, si introduce un maggiore apporto di rumore termico. Ciò è però tollerato in quanto il rumore termico è a bassa frequenza mentre i segnali nella scheda sono ad alta frequenza.
Le piste dei segnali dinamici (LVDS) sono state disegnate in modo tale da renderle più brevi, lineari e simmetriche possibile. Questo perché trasportano segnali ad alta frequenza e di bassa intensità (100mV) e quindi sono molto suscettibili al rumore. Per questo motivo, anche per portarli via dalla scheda, si sono usati dei cavi speciali a resistenza fissa.
Il circuito stampato realizzato è mostrato nelle figure seguenti.
Figura 5.12.Visione del top (a) e del bottom (b) del circuito stampato assemblato all’interno del quadrotto.
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5.3 Test e Sviluppi Futuri
Una volta assemblata, la scheda è stata testata su banco per verificare la correttezza delle connessioni e per accertare che non vi fossero cortocircuiti. Successivamente è stata collegata alla scheda di sviluppo fornita dal costruttore. In questo modo è stato possibile verificare il corretto funzionamento delle videocamere attivate singolarmente.
Purtroppo non è ancora stato possibile acquisire entrambe le videocamere contemporaneamente, in quanto il processore STV0986 non è capace di gestire due moduli contemporaneamente, né il software fornito è finalizzato a questo scopo.
Uno degli sviluppi futuri più immediati del sistema riguarderà quindi lo sviluppo e la realizzazione di una scheda elettronica con due processori STV0986, capace di acquisire entrambe le videocamere contemporaneamente. Parallelamente, verrà anche implementato un nuovo software capace di gestire le immagini provenienti da entrambe le videocamere, di elaborarle e di trasmetterle in un formato idoneo per la loro visualizzazione sullo schermo autostereoscopico. Sul sistema completo dovranno poi essere eseguiti dei test per verificare la sincronia delle immagini acquisite dalla due videocamere e visualizzate sullo schermo. Questo perché un eccessivo scarto temporale tra i due frame visualizzati genererebbe artefatti e fastidio in fase di visualizzazione. Infine, una volta inserito il sistema in una piattaforma robotica equivalente a quella realizzata per il primo prototipo, sono previsti nuovi test di validazione, sia nel simulatore che in-vivo.
