Physikalisches Rechnen: Erforschung von Computer Vision im Physical Computing

Von Fouad Sabry

Was ist Physical Computing

Der Begriff „Physical Computing“ bezieht sich auf die Verwendung interaktiver Systeme, die in der Lage sind, die Umgebung um sie herum wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Obwohl diese Definition weit genug gefasst ist, um Systeme wie intelligente Verkehrsleitsysteme oder Fabrikautomatisierungsprozesse einzuschließen, wird sie normalerweise nicht zur Definition dieser Art von Produkten verwendet. Aus einer umfassenderen Perspektive kann Physical Computing als innovatives Paradigma zum Verständnis der Verbindung zwischen Menschen und der digitalen Umwelt verstanden werden. Die häufigsten Beispiele sind handgefertigte Kunst-, Design- oder Do-it-yourself-Hobbyprojekte, bei denen Sensoren und Mikrocontroller verwendet werden, um analoge Eingaben in ein Softwaresystem zu übersetzen und/oder elektromechanische Geräte wie Motoren, Servos, Beleuchtung oder andere Hardware zu steuern was der Name „Hersteller“ in praktischen Anwendungen bedeutet.

Wie Sie davon profitieren

(I) Einblicke und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Physikalisches Rechnen

Kapitel 2: Mikrocontroller

Kapitel 3: Eingebettetes System

Kapitel 4: AVR-Mikrocontroller

Kapitel 5: System auf einem Chip

Kapitel 6: Visuelle Programmiersprache

Kapitel 7: Universelle Eingabe/Ausgabe

Kapitel 8: Arduino

Kapitel 9: Einplatinen-Mikrocontroller

Kapitel 10: Rotlichtkamera

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zum Thema Physical Computing.

(III) Beispiele aus der Praxis für den Einsatz von Physical Computing in vielen Bereichen.

Für wen sich dieses Buch eignet

Berufstätige, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über grundlegende Kenntnisse oder Informationen für jede Art von Physical Computing hinausgehen möchten.

 

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 5. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Physikalisches Rechnen

Physical Computing beinhaltet den Einsatz interaktiver Systeme, die ihre Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren können. Obwohl diese Definition weit genug gefasst ist, um Systeme wie intelligente Verkehrsleitsysteme für Automobile und Fabrikautomatisierungsprozesse zu umfassen, wird sie in der Regel nicht verwendet, um sie zu definieren. Physical Computing ist ein kreativer Rahmen, um die Verbindung zwischen Menschen und der digitalen Welt zu verstehen. Im allgemeinen Sprachgebrauch bezieht sich der Begriff in der Regel auf handgefertigte Kunst-, Design- oder DIY-Hobbyprojekte, bei denen Sensoren und Mikrocontroller verwendet werden, um analoge Eingaben in ein Softwaresystem zu übersetzen und/oder elektromechanische Komponenten wie Motoren, Servos, Beleuchtung und andere Hardware zu bedienen.

Physical Computing überschneidet eine Vielzahl von Disziplinen und Branchen, darunter Elektrotechnik, Mechatronik, Robotik, Informatik und Embedded-Entwicklung.

Physical computing

Physical Computing wird in zahlreichen Bereichen und Anwendungen eingesetzt.

Die Vorteile von Körperlichkeit und Spaß in der Bildung spiegeln sich in einer Vielzahl von informellen Lernkontexten wider. Als Pionier des forschenden Lernens schuf das Exploratorium einige der frühen computergestützten interaktiven Exponate und integriert mit der Weiterentwicklung der verwandten Technologien immer mehr Instanzen von physischem Computing und taktilen Schnittstellen.

Scott Snibbe, Daniel Rozin, Rafael Lozano-Hemmer, Jonah Brucker-Cohen und Camille Utterback haben Physical Computing in ihre künstlerische Arbeit integriert.

Im Bereich des Produkt- und Interaktionsdesigns werden gelegentlich handgefertigte eingebettete Systeme eingesetzt, um neue digitale Produktkonzepte schnell und kostengünstig zu prototypisieren. Unternehmen wie IDEO und Teague sind dafür bekannt, diesen Ansatz für das Produktdesign zu verfolgen.

Kommerzielle Anwendungen reichen von Consumer-Gadgets wie dem Sony Eyetoy oder Videospielen wie Dance Dance Revolution bis hin zu esoterischen und pragmatischen Anwendungen wie der maschinellen Bildverarbeitung, die zur Automatisierung der Qualitätsprüfung entlang einer Fertigungslinie verwendet wird. Physical Computing umfasst Exergaming, wie z. B. Nintendos Wii Fit. Spracherkennung, die Schallwellen mithilfe von Mikrofonen oder anderen Schallwellensensoren erfasst und interpretiert, und Computer Vision, die Algorithmen auf einen umfangreichen Strom von Videodaten anwendet, die häufig von einer Kamera erfasst werden, sind weitere Implementierungen des Physical Computing. Bei haptischen Schnittstellen erzeugt der Computer den physikalischen Reiz, anstatt ihn zu detektieren. Sowohl die Bewegungserfassung als auch die Gestenerkennung sind auf Computer Vision angewiesen, um ihre Verzauberung durchzuführen.

Physical Computing kann auch verwendet werden, um die Herstellung und Verwendung von kundenspezifischen Sensoren oder Kollektoren für die wissenschaftliche Forschung zu beschreiben, obwohl diese Verwendung ungewöhnlich ist. Das Illustris-Projekt, das versucht, die Entwicklung des Universums vom Urknall bis zur Gegenwart (13,8 Milliarden Jahre später) perfekt nachzuahmen, ist ein Beispiel für die Modellierung von Physical Computing.

Physical Computing stützt sich stark auf die Entwicklung von Prototypen. I-CubeX mit Tools wie Wiring, Arduino und Fritzing ermöglicht es Designern und Künstlern, ihre interaktiven Ideen schnell zu prototypisieren.

{Ende Kapitel 1}

Kapitel 2: Mikrocontroller

MCU für Mikrocontroller-Einheit) ist ein Mikrocontroller, auch MC, UC oder μC) ist ein kleiner Computer auf einem einzigen VLSI-IC-Chip (Integrated Circuit).

Zusätzlich zum Arbeitsspeicher und programmierbaren Ein-/Ausgabe-Peripheriegeräten enthält ein Mikrocontroller eine oder mehrere CPUs (Prozessorkerne).

Ferroelektrischer RAM wird als Programmspeicher verwendet, neben einer winzigen Menge RAM werden häufig auch NOR-Flash oder OTP-ROM auf dem Chip untergebracht.

Im Gegensatz zu den Mikroprozessoren, die in PCs und anderen Allzweckanwendungen verwendet werden, die aus zahlreichen diskreten Chips bestehen, sind die Mikroprozessoren, die in Supercomputern verwendet werden, integrierte Schaltkreise.

Ein Mikrocontroller ist mit einem System-on-a-Chip (SoC) verwandt, aber weniger anspruchsvoll als dieses. Ein SoC kann externe Mikrocontroller-Chips mit dem Motherboard verbinden, integriert aber in der Regel fortschrittliche Peripheriegeräte wie die Grafikprozessoreinheit (GPU) und den Wi-Fi-Schnittstellencontroller als interne Mikrocontroller-Einheitsschaltungen.

Mikrocontroller werden in Produkten und Geräten mit automatischer Steuerung eingesetzt, darunter Motorsteuerungssysteme für Fahrzeuge, implantierbare medizinische Geräte, Fernbedienungen, Büromaschinen, Haushaltsgeräte, Elektrowerkzeuge, Spielzeug und andere eingebettete Systeme. Mikrocontroller machen die digitale Steuerung von noch mehr Geräten und Prozessen kostengünstiger, indem sie die Größe und die Kosten im Vergleich zu einem Design verringern, das einen separaten Mikroprozessor, Speicher und Ein-/Ausgabegeräte verwendet. Mikrocontroller, die die analogen Komponenten integrieren, die zur Steuerung nicht-digitaler elektronischer Systeme erforderlich sind, sind weit verbreitet. Als Edge-Geräte im Kontext des Internets der Dinge sind Mikrocontroller ein kostengünstiges und weit verbreitetes Mittel zur Datenerfassung, -erfassung und -steuerung der physischen Welt.

Um einen geringen Stromverbrauch zu erzielen, können einige Mikrocontroller Vier-Bit-Wörter verwenden und mit Frequenzen von nur 4 kHz (einstellige Milliwatt oder Mikrowatt) arbeiten. Im Allgemeinen sind sie in der Lage, die Funktionalität beizubehalten, während sie auf ein Ereignis warten, z. B. auf einen Tastendruck oder einen anderen Interrupt. Der Stromverbrauch im Ruhezustand (CPU-Takt und die meisten Peripheriegeräte ausgeschaltet) kann bis zu Nanowatt betragen, wodurch sich viele von ihnen gut für batteriebetriebene Anwendungen mit langer Lebensdauer eignen. Andere Mikrocontroller können leistungskritische Funktionen erfüllen, die erfordern, dass sie sich eher wie digitale Signalprozessoren (DSPs) verhalten, mit höheren Taktraten und Stromverbrauch.

Mehrere MOS-LSI-Chips wurden verwendet, um die ersten Multi-Chip-Mikroprozessoren zu entwickeln, die Vier-Phasen-Systeme AL1 im Jahr 1969 und den Garrett AiResearch MP944 im Jahr 1970. 1971 erschien der erste Single-Chip-Mikroprozessor, der Intel 4004 auf einem einzigen MOS-LSI-Chip. Federico Faggin hat es in Zusammenarbeit mit den Intel-Ingenieuren Marcian Hoff und Stan Mazor sowie dem Busicom-Ingenieur Masatoshi Shima mit seiner Silizium-Gate-MOS-Technologie entwickelt. Auf den 4-Bit-Intel 4040 folgten der 8-Bit-Intel 8008 und der 8-Bit-Intel 8080. Um ein funktionsfähiges System zu erstellen, benötigte jede dieser CPUs mehrere zusätzliche Chips, einschließlich Speicher- und Peripherieschnittstellenchips. Daher beliefen sich die Gesamtkosten des Systems in den 1970er Jahren auf mehrere hundert Dollar, was es unmöglich machte, bescheidene Geräte kostengünstig zu computerisieren.

1975 wurden die Mikroprozessoren 6501 und 6502 von MOS Technology für unter 100 US-Dollar eingeführt. Ihr Hauptziel war es, diese Kostenbarriere zu senken, aber diese Mikroprozessoren benötigten immer noch externe Unterstützung, Speicher und Peripheriechips, wodurch die Gesamtkosten des Systems in die Hunderte von Dollar gingen.

Im Jahr 1971 entwickelten die TI-Ingenieure Gary Boone und Michael Cochran den ersten Mikrocontroller, wie aus einem Buch hervorgeht. 1974 kam der TMS 1000 auf den Markt, das Ergebnis ihrer Bemühungen. Es integrierte Read-Only-Speicher, Lese-/Schreibspeicher, einen Prozessor und einen Takt auf einem einzigen Chip für Embedded-Systeme. Es kombinierte RAM und ROM mit einer CPU auf einem einzigen Chip. Dieser Chip sollte schließlich unter anderem seinen Weg in über eine Milliarde PC-Tastaturen finden. Luke J. Valenter, der damalige Präsident von Intel, bemerkte, dass der Mikrocontroller eines der erfolgreichsten Produkte des Unternehmens war, und er erhöhte das Budget der Mikrocontroller-Sparte um über 25 Prozent.

Zu dieser Zeit gab es bei den meisten Mikrocontrollern gleichzeitige Varianten. Eines war mit einem EPROM-Programmspeicher und einem transparenten Quarzglas im Deckel des Gehäuses ausgestattet, das es ermöglichte, es durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht zu löschen. Häufig wurden diese löschbaren Chips für das Prototyping verwendet. Die andere Option war ein maskenprogrammierbares ROM oder ein PROM, das nur einmal programmiert werden konnte. Für Letzteres wurde manchmal OTP verwendet, was für one-time programmable steht. In einem OTP-Mikrocontroller war das PROM oft vom gleichen Typ wie das EPROM; Dem Chipgehäuse fehlte jedoch ein Quarzfenster, so dass das EPROM nicht gewischt werden konnte. Da die löschbaren Versionen eine Keramikverpackung mit Quarzfenstern erforderten, waren sie erheblich teurer als die OTP-Versionen, die zu geringeren Kosten in undurchsichtigem Kunststoff verpackt werden konnten. Für die löschbaren Varianten wurde Quarz anstelle von weniger teurem Glas benötigt, da es für UV-Licht transparent ist, wodurch Glas weitgehend undurchsichtig ist. Die Keramikverpackung selbst war jedoch das Hauptunterscheidungsmerkmal bei den Kosten.

Die Erfindung des EEPROM-Speichers im Jahr 1993 ermöglichte Mikrocontroller (beginnend mit dem Microchip PIC16C84) Andere Firmen folgten schnell und boten beide Speichertypen an.

Heutzutage sind Mikrocontroller kostengünstig und für Enthusiasten leicht erhältlich, und bestimmte Prozessoren haben riesige Online-Communities.

Im Jahr 2002 waren über 55 % aller weltweit verkauften CPUs 8-Bit-Mikrocontroller und -Mikroprozessoren.

Ein typischer Wohnsitz in einem Industrieland besteht wahrscheinlich nur aus vier Allzweck-Mikroprozessoren, aber etwa dreißig Mikrocontrollern. Etwa dreißig Mikrocontroller sind in einem typischen Mittelklassefahrzeug vorhanden. Darüber hinaus sind sie in einer Vielzahl von elektrischen Geräten enthalten, darunter Waschmaschinen, Mikrowellenherde und Mobiltelefone.

Der 8-Bit-Sektor hat in der Vergangenheit den MCU-Markt dominiert [..]. Im