Von SBCs und COMs
Was hat die Bildverarbeitung von Embedded-Systemen?
Embedded Systeme sind eine hervorragende Alternative zu herkömmlichen IPCs, um Visionsysteme zu steuern. Sie sind – je nach Anwendungsbereich – in verschiedenen Formfaktoren und Preisklassen erhältlich. In ihrer einfachsten Form sind Embedded-Systeme ein System-on-a-Chip (SoC), also ein einzelner Microchip mit einer CPU und mehreren Kernen, GPU, Speicher, Leistungsregelung und Schnittstellentechnologie wie USB, WiFi und Bluetooth. Die Microchips können in eine individuelle Plattform eingebettet oder in Produkte wie Einplatinencomputer (Single Board Computer, SBC) integriert werden.
Bild 1: Beim ITS-Sektor kann die Hardware über verschiedene Schnittstellenports auf dem SBC eingebunden werden. (Bild: ©Peeter Viisimaa/Istockphoto.com)
SBCs sind relativ kostengünstig und weit verbreitet. Beliebte Platinen sind Raspberry Pi3, Jetson TK1 von NVidia oder XU4 von Odroid. Diese Systeme beinhalten ein SoC sowie Schnittstellenschaltkreise und Ports für den Betrieb des Computers. Die meisten SBCs werden auf ARM-Prozessoren mit einer Linux-Betriebssystemvariante ausgeführt, und sind einfach in Bildverarbeitungssysteme zu integrieren. Sie sind klein und leicht, mit einem Gewicht von unter 40g und einer Leistungsaufnahme von 1,5W. SBCs kosten nur den Bruchteil eines kompletten Rechnersystems, beliebte Modelle im Durchschnitt zwischen 50 und 100?. Aufgrund der genannten Spezifikationen sind Einplatinencomputer hervorragend zur Integration in Visionsystemen geeignet. Die verfügbaren Schnittstellenports sind mit USB3.0-Kameras kompatibel und können Triggersignale von externen Quellen senden und empfangen, sowie bei Bedarf Bildinformationen anzeigen. Die integrierte CPU und GPU führen an den Bildern grundlegende digitale Bildverarbeitungsaufgaben durch und steuern das gesamte System.
Einsatzgebiete von SBC
Zu den Anwendungen, die am meisten profitieren, gehören unbemannte Luftfahrzeuge (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) und die Verkehrstelematik (Intelligent Transportation Systems, ITS). In der UAV-Branche gibt es strenge Vorgaben zu Größe, Gewicht und Leistung von Systemnutzlasten. SBCs bieten, wie bereits ausgeführt, kleine und leichte Formfaktoren mit geringer Leistungsaufnahme von integrierten Batterien oder Solarzellen. Zudem verfügen sie über einen systemeigenen oder erweiterbaren Speicher, sodass sie Bilder im RAW-Format in hochwertige Bilddateien konvertieren und zur späteren Verwendung speichern können. Eine intensivere Bildverarbeitung, wie das Stitching von Bildern, Bildinspektion oder das Erstellen von Bildern mit normalisiertem und differenziertem Vegetationsindex (NDVI, Normalized Difference Vegetation Index) erfordert eine Nachbearbeitung nach Abschluss des Flugbetriebs. Alternativ können die Systeme regelmäßig heruntergerechnete oder komprimierte Bilder zur Validierung an die Bodenstation senden. Das SBC ist außerdem in der Lage, Daten wie Höhe, Geschwindigkeit relativ zum Boden und GPS-Standort von Instrumenten und Leitsystemen des UAV zu erfassen und mit den aufgenommenen Bildern für eine spätere Analyse zu korrelieren. Der ITS-Sektor kann ebenso von Einplatinencomputern in Visionsystemen profitieren. Hardware kann auf einfache Weise über verschiedene Schnittstellenports auf dem SBC eingebunden werden, z.B. über universelle Ein- und Ausgabeports, die auf fast allen SBCs verfügbar sind. Die Kamera wird entweder durch die Hardware mithilfe eines Ausgabeports oder durch die Software über das Linux-Betriebssystem ausgelöst. Sobald das Bild aufgenommen ist, können CPU und GPU das Bild nachbearbeiten und Metadaten, wie den Ort der Aufnahme, die Fahrzeuggeschwindigkeit und einen Zeit- und Datumsstempel hinzufügen. Je nach Häufigkeit der Verstöße oder Inspektionen kann das System eine automatische Kennzeichenerfassung (Automated Number Plate Recognition, ANPR) durchführen und das Bild anschließend komprimieren. Die ANPR-Daten sowie Bild- und Metadaten können über eine Verbindung mit niedriger Bandbreite zur Verwertung an die zentrale Verarbeitungsstelle gesendet werden. Je nach eingesetztem SBC werden die Daten über eine Mobilfunk- oder Ethernetverbindung gesendet. Das SDK der Kamera muss mit Linux-basierten ARM-Systemen kompatibel sein, damit eine erfolgreiche Integration möglich ist. Nur so kann die Kamera fehlerfrei mit dem SBC kommunizieren und ordnungsgemäß funktionieren. So hat Lumenera für seine USB3.0-Lt-Kameraserie kürzlich den SDK speziell für Linux-ARM-Systeme aktualisiert. Kameras der Lt-Serie besitzen einen kleinen Formfaktor, und lassen sich damit gut in Systeme mit Einplatinencomputern integrieren.
Computer-on-Module
Bild 2: Zu den Anwendungen, die am meisten von Single Board Computers (SBC) für Visionsysteme profitieren, gehören unbemannte Luftfahrzeuge. (Bild: ©Fabian Schmidt/123RF.com)
Eine robustere Alternative zu den hauptsächlich auf Verbraucherebene eingesetzten SBCs ist ein COM (Computer-on-Module). COMs sind eine SBC-Variante, die aus einer Platine bestehen, und keine E/A-Ports, sondern nur einen Netzadapter besitzen. Der COM wird an eine individuelle Trägerplatine angeschlossen, die nur die für die Anwendung erforderlichen Ports enthält. So lassen sich Größe und Gewicht weiter reduzieren, und die Trägerplatine kann nur mit der erforderlichen Hardware bestückt werden. Dem COM kann eine Architektur zugrunde liegen, die der Architektur von auf Verbraucherzwecke ausgerichteten SBCs ähnlich oder identisch ist. Nach der Anfertigung des Prototypen sind so ein einfacher Austausch und Integration möglich. Für die SBC-Prototypanfertigung geschriebene Software kann problemlos auf das Modul angewandt werden. COMs sind wesentlich besser für Serienanfertigungen und industrielle Zwecke geeignet und bewegen sich in einem Preissegment von 100E.
