Kleine Intelligenzbestien

Schnelle PC-Kamerasysteme dank AMD-Fusion APU

Der Markt der für die Bildverarbeitung verfügbaren Kamerasysteme ist breit gefächert und hauptsächlich in zwei Gruppen unterteilt: Vision-Sensoren und intelligente Kameras (Smart Kameras).
Vision-Sensoren sind Systeme, die Bilder zur Verarbeitung und Interpretation an nachgelagerte Systeme (üblicherweise PC-basierte oder Embedded Systeme) übertragen. Unter Smart-Kameras versteht man Systeme, die durch integrierte Sensoren gelieferte Bilder bereits in der Kamera weiterverarbeiten, interpretieren und gegebenenfalls auch Entscheidungen treffen können. Die Grenzen sind fließend, da viele Standardkameras auch Routinen z.B. zur Bildkorrektur und -glättung in der Kamera, das heißt vor der Übertragung an die weiterverarbeitenden Systeme, durchführen. Barcode- und QR-Codeleser sind einfache Smart-Kameras, die bereits die komplette Bildverarbeitung übernehmen und die über ihre Kommunikationsschnittstelle keine Bilddaten, sondern die erkannten, im Code verschlüsselten Informationen, übertragen. Die Verarbeitung des Bildes in der Kamera erfolgt durch Bildverarbeitungsprozessoren, üblicherweise durch

• • FPGA (Field Programmable Gate Array): Die Programmierung eines FPGAs erzeugt im Grunde Gatter aus normalen Logikbausteinen (z.B. UND, ODER, XOR). Die Ergebnisse sind sehr schnelle Operationen. Die Programmierung von FPGAs setzt allerdings Spezialwissen voraus. Für programmierbare, intelligente Kameras spielt die Bildverarbeitung durch FPGA kaum eine Rolle.
• • DSP (Digital Signal Prozessor): DSPs stellen im Gegensatz zu Standard-Prozessoren vor allem für mathematische Operationen optimierte Funktionsgruppen zur Verfügung. Sie haben gegenüber den CPUs den Vorteil, Ihre Aufgaben bei geringer elektrischer Leistungsaufnahme sehr schnell ausführen zu können.
• • CPU (Central Processing Unit): CPUs sind als Hauptprozessoren der Computer bekannt. Sie verfügen in der Regel nicht über hochoptimierte Implementierungen mathematischer Operationen, können dafür aber beliebig programmiert werden. Auf CPU-basierten intelligenten Kameras kann bei entsprechender Systemkonfiguration ein normales PC-Betriebssystem (Microsoft Windows embedded oder Linux) betrieben werden. Kamerasysteme, die auf so einem Bildverarbeitungssystem aufsetzen, werden im folgenden PC-Kameras genannt.

Die Entwicklung der Anwendungsprogramme für die Bildverarbeitung, die auf den frei programmierbaren, intelligenten Kameras ablaufen, erfolgt üblicherweise auf PCs. PC-Kameras genießen den Vorteil, dass die entwickelten Programme direkt auf den Kameras laufen und dort eingesetzt werden können. Der sonst mögliche Systembruch zwischen Entwicklung und Test der Applikation kann so minimiert werden. Die PC-Kameraserie Currera-R basiert auf der Intel Atom-CPU, die auch in Netbooks eingesetzt wird. Die IP67-Kamera verfügt über die gängigen PC-Schnittstellen (GigaBit-Ethernet, USB) und einen Monitorausgang sowie jeweils vier digitale E/A-Leitungen zur Echtzeitsteuerung in Industrieanwendungen. Die Intel-Atom basierten PC-Kameras sind zwar leicht programmierbar, in der Regel aber schnellen DSP-basierten Smart-Kameras in der Rechenleistung unterlegen.

Intelligente PC-Kamera mit 90Gflops

Bei den PCs gibt es in den letzten Jahren einen Trend zu immer schnelleren Grafikkarten, die vor allem bei sehr rechenintensiven Grafikanwendungen durch ihre hohe Leistungsfähigkeit überzeugen. Für Embedded Systeme bietet der CPU-Hersteller AMD seit einiger Zeit sogenannte APUs an. Diese Komponente vereinigt einen Doppelkern Prozessor (CPU) mit einem hochauflösenden Grafikchip (GPU), dessen 80 optimiert Rechenmodule Bildverarbeitungsaufgaben durch Parallelberechnung erheblich beschleunigt. Die gleichzeitige Nutzung des Hauptspeichers durch die CPU und GPU bedeutet eine maximal mögliche Zugriffsgeschwindigkeit auf die Bilddaten. Durch den Einsatz solcher Prozessoren gelingt es, die Lücke zwischen Smart-Kameras und PC- oder Host-basierten Bildverarbeitungslösungen mit hoher Leistung direkt in der PC-Kamera zu schließen. Die Kameraserie Currera-G basiert auf der AMD-Fusion APU T56N, die mit 1,65GHz Takt betrieben wird. Die Kamera stellt eine für intelligente PC-Kameras einzigartige Rechenleistung von bis zu 90Gflops zur Verfügung. Die Currera-G kann wahlweise mit Windows oder Linux eingesetzt werden. Sie wird von einem gemeinsamen SDK (Software Development Kit) angesprochen und unterstützt über 30 der gängigsten Bildverarbeitungs-Softwarebibliotheken, z.B. VisionPro (Cognex), MIL (Matrox Imaging), LabView (National Instruments) und Halcon (MVTec). Dieses erlaubt ein schnelles Prototyping und eine Entwicklung von stabilen und zuverlässigen Bildverarbeitungssystemen. Zur Programmierung der GPU können dieStandards OpenCL und Direct-Compute eingesetzt werden, die bereits von einigen der genannten Bibliotheken unterstützt werden. Neben PC-üblichen Anschlüssen wie USB2.0, Full-HD fähigem HDMI-Port, Gigabit-Ethernet mit Power over Ethernet (PoE) und einer seriellen RS232-Schnittstelle, bietet die Kamera auch vier USB3.0 Ports, die für den Anschluss weiterer leistungsfähiger Kameras wie der xiQ-Serie verwendet werden können. Die Kamera verfügt über einen Light-Port, dessen Ausgangsspannung zwischen 4 und 80V beträgt und eine Stromstärke von bis zu 1A steuern kann. Für den Einsatz in Industrieumgebungen stehen jeweils vier digitale E/A-Ports zur Triggerung und Steuerung zur Verfügung. Diese E/As und der Light-Port können über einen integrierten PLC (Programmable Logic Controller) mit einer Genauigkeit von 1µs echtzeitfähig gesteuert werden. Sowohl bei der PC-Kamera Currera-G als auch bei den möglichen USB3.0-Satellitenkameras der Serie xiQ kann auf eine breite Palette von Bildsensoren zurückgegriffen werden:

• • VGA auf Basis des Cmosis CMV300
• • 1,3Megapixel auf der Basis dreier verschiedener Sensoren (E2V-Sapphire, E2V-Ruby und Onsemi VITA1300)
• • 2,2 und 4,2Megapixel auf Basis der Cmosis-Sensoren CMV2000 und CMV4000 in der neusten Generation, der Revision 3.

Fazit

Mit der neuen Hardwarebasis und der Möglichkeit, schnelle Satellitenkameras anzuschließen, werden mit der ca. 8x13x4,5cm kleinen Currera-G viele Einsatzmöglichkeiten erschlossen, die bisher nur konventionellen PC-Systemen mit angeschlossenen Kameras und damit eingeschränkten Leitungslängen oder Bandbreiten vorbehalten waren. Die hohe Integrationsdichte vereinfacht die Realisierung mobiler, intelligenter Lösungen. Die Anwendungsgebiete sind z.B. die gleichzeitige Verkehrsstromanalyse und Nummernschilderkennung, kombinierte 2D- und 3D-Materialerkennung sowie die gleichzeitige Steuerung von Fertigungs- bzw. Prüfstraßen oder die dezentrale Raumüberwachung.