基于A(yíng)dvancedTCA架構的機器視覺(jué)高端應用計算機平臺

機器視覺(jué)的市場(chǎng)應用日益增加

機器視覺(jué)系統集成商與設備供貨商不斷尋求可執行復雜影像處理算法的新興解決方案和高性能計算機，以及更具成本效益并具備更快上市時(shí)間周期的產(chǎn)品。應用于平面顯示器(FPD)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)光學(xué)檢測(AOI)即為一個(gè)例子。隨著(zhù)FPD產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在單一系統上需要多種高分辨率攝像機的需求正在提升，在此同時(shí)，數據吞吐能力也成為處理大量數據負載的關(guān)鍵。包含掃描與面掃描(area scan)在內，正呈現出驚人成長(cháng)的大尺寸影像視覺(jué)應用需要成像、顯示、儲存、實(shí)時(shí)可視化以及階處理能力。一般的AOI應用通常采用了搭載雙CPU，以及一片用于攝像機接口PCI-X附加卡的服務(wù)器。然而，在需要多個(gè)攝像機時(shí)，就需要更多臺服務(wù)器，以建構一個(gè)可用的AOI系統。這些服務(wù)器占用了寶貴的空間，且需要大量的管理及維護。此外，服務(wù)器之間的數據交換也為系統集成商與管理人員帶來(lái)了更大挑戰。

AOI系統不僅適用于FPD產(chǎn)業(yè)，其應用領(lǐng)域還橫跨了一系列運用視覺(jué)輸入進(jìn)行數據處理的工業(yè)應用。包括自動(dòng)化機器人的導航導引系統、用于操作任務(wù)的位置與結構信息、地形繪制功能(特別是在偏僻環(huán)境或在天災期間)，另外還包括了在高

速及大量生產(chǎn)過(guò)程中的計算機輔助作業(yè)等，均已成為AOI技術(shù)的必然應用領(lǐng)域，而且均充份使用了該技術(shù)提供的優(yōu)勢。AOI系統搭載了特有的人機接口，能讓操作人員執行無(wú)論對工業(yè)或應用而言，都是最關(guān)鍵的實(shí)時(shí)與精確的操作控制。

AOI系統的功能包含了將影像采集到計算機、將影像轉換為可用格式、將影像調整為所需大小，還能計算適當的數據以呈現影像并執行質(zhì)量檢查。在特別針對制造環(huán)境應用時(shí)，AOI系統不僅要滿(mǎn)足對高速、高分辨率、24小時(shí)運作、可重復測量等要求，還必須能在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行自動(dòng)識別、追蹤與質(zhì)量保證。

一些較具特色的AOI系統采用了客制化數字信號處理器(DSP)與現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)，為結果轉譯與缺陷定位提供了基礎解決方案。與傳統上許多產(chǎn)業(yè)采用的手動(dòng)儲存及檢測移動(dòng)的方法相較，通過(guò)先進(jìn)光學(xué)檢測技術(shù)，用戶(hù)可獲得更多質(zhì)量良好的產(chǎn)品(高良率)，并消除缺陷產(chǎn)品所占比重(質(zhì)量控制)。舉例來(lái)說(shuō)，在木板業(yè)，提升由機器視覺(jué)系統所做的決定數量，可增加生產(chǎn)率及提高合格率，而且可運用較少的生產(chǎn)線(xiàn)人力實(shí)現更精確的產(chǎn)品分類(lèi)，通過(guò)削減成本協(xié)助一家公司達到獲利底線(xiàn)。AOI系統可在制造環(huán)境中顯著(zhù)提高價(jià)值，在這些環(huán)境中，為了提升最終產(chǎn)品的一致性，制造過(guò)程通常充滿(mǎn)了變量。

不過(guò)，值得注意的是，若缺乏適當的計算機架構與控制功能，在必須使用多種編程語(yǔ)言整合DSP與FPGA時(shí)，AOI系統會(huì )擔負較長(cháng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間與付出更多工程資源的風(fēng)險。因此，這些解決方案在獲得并采用新型DSP技術(shù)時(shí)，必須在軟硬件方面付出更多的投資。

針對先進(jìn)AOI應用的理想解決方案，將是一種能在產(chǎn)能與成本比例中實(shí)現最佳平衡的平臺，而產(chǎn)能與成本比例則與制造程序、輸出入支持、易于編程、客制化與系統維護等息息相關(guān)。

ATCA Advanced Vision Platform (AVP) 平臺滿(mǎn)足高端視覺(jué)系統需求

盡管最初的設計是針對下一代電信應用，但先進(jìn)電信運算架構(簡(jiǎn)稱(chēng)AdvancedTCA或ATCA)也已經(jīng)證實(shí)是解決當前高端機器視覺(jué)系統問(wèn)題的理想方案。這種開(kāi)放式架構可節省開(kāi)發(fā)時(shí)間及相關(guān)成本，而配備PMC卡的ATCA系統還可進(jìn)行擴展以提升系統靈活性。透過(guò)整合客制化PMC卡，并運用創(chuàng )新的Gigabit以太網(wǎng)絡(luò )和機箱管理(shelf management)技術(shù)，以ATCA為基礎的機器視覺(jué)系統能在精巧、高密度的多刀鋒型機架系統中巧妙地滿(mǎn)足其性能需求。

具備PCI-X PMC模塊的高性能CPU刀鋒板卡可用來(lái)建構單一的先進(jìn)CPU平臺。一個(gè)PMC模塊就能與好幾種攝像機接口標準進(jìn)行通訊，包括Camera Link、Firewire，以及逐漸成為主流的Gigabit以太網(wǎng)絡(luò )接口攝像機等。透過(guò)適當地整合這些技術(shù)與靈活的架構，PMC模塊可通過(guò)保證向后與前向兼容性，消除設備因陳舊而面臨報廢的風(fēng)險，隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)展維持系統的最佳執行效能，并確保用戶(hù)可獲得最大的投資回報。

由于A(yíng)TCA的刀鋒型架構，針對AOI應用，系統集成商可輕易地將多個(gè)攝像機整合到一個(gè)AVP之中。例如，若一片AVP刀鋒板卡必須處理來(lái)自?xún)膳_Camera Link攝像機的影像數據，則一個(gè)5U的ATCA系統就能支持10臺Camera Link攝像機(見(jiàn)圖1)。與傳統的服務(wù)器解決方案相比，一個(gè)基于A(yíng)TCA的AVP不需要五個(gè)服務(wù)器來(lái)實(shí)現較有效率的作業(yè)。這種更精巧的產(chǎn)品不僅能讓基于A(yíng)TCA的AVP節省更多空間，而且能協(xié)助簡(jiǎn)化并減少大量布線(xiàn)、連接和基礎設備等許多工業(yè)領(lǐng)域使用者必須處理的問(wèn)題，如此一來(lái)，將可騰出寶貴的空間用于其它用途。另外，ATCA平臺的熱機拔取(Hot Swapping)與完全冗余特性(Fully Redundancy) 可確保在移除任何組件時(shí)都不會(huì )中斷運作，大幅減少了維修和更換組件的時(shí)間。

圖1：服務(wù)器系統 vs. 用于A(yíng)OI的AVP系統。

由于具備了base/fabric接口，一款基于A(yíng)TCA的AVP能讓系統集成商在處理影像的刀鋒板卡之間建立通訊，包括基于Gigabit以太網(wǎng)絡(luò )的接口在內，以便在板卡交換影像數據時(shí)，提供更快速的通道。

由于每個(gè)ATCA系統均具備系統管理的模塊指令，因此系統集成商可輕易地通過(guò)安裝機箱管理模塊(CMM)建構一個(gè)高度可靠及可管理的平臺，以監控并控制處理影像的刀鋒板卡及其它現場(chǎng)可換置組件(FRU)。CMM負責監控機柜的運作、報告異常情況、進(jìn)行錯誤校正，同時(shí)能在系統中實(shí)現互連。ATCA架構的可靠性與靈活性確實(shí)能改善機器視覺(jué)系統的運作效能，并通過(guò)減少現場(chǎng)人力及改善生產(chǎn)質(zhì)量協(xié)助企業(yè)節省成本。

凌華科技的aTCA-6890是首款以ATCA架構,搭配使用FPGA技術(shù)及Camera Link技術(shù)的影像采集的PMC模塊,使用于高端影像處理應用的的刀鋒板卡。 (見(jiàn)圖2與圖3)。每個(gè)刀鋒板卡

均支持兩個(gè)核心速率高達3.4GHz的低電壓Intel® LV Xeon®處理器。由于Intel®的超執行緒(Hyperthreading)技術(shù)與EM64T 64位運算能力，該平臺能為橫跨多種應用與產(chǎn)業(yè)類(lèi)別的復雜影像處理提供強大運算效能。由于支持高達16GB的DDR2內存，這款AVP刀鋒板卡為高密度影像數據的處理及儲存提供了大容量?jì)却嫱掏侣?。凌華科技的aTCA-6890呈現出了與傳統私有機器視覺(jué)系統集成商截然不同的設計方向，它減少了對DSP的需求，并運用了ATCA在功率與性能方面的優(yōu)勢。針對AOI應用，一個(gè)AVP刀鋒板卡可利用高效能CPU，以最佳等級處理數據，同時(shí)執行復雜的型態(tài)學(xué)運算。由于具備了更大的內存帶寬與容量，AVP刀鋒板卡技術(shù)可進(jìn)一步協(xié)助使用者儲存大量影像數據，若有需要，也能進(jìn)行精確追蹤與除錯。

圖2：凌華科技的AVP刀鋒板卡。

圖3：凌華科技的AVP刀鋒板卡結構圖。

在針對AVP建構一個(gè)具成本效益，以及可節省空間的平臺時(shí)，另一項不可或缺的重點(diǎn)是I/O密度，這將能提供更大的靈活性，而且更容易管理。該平臺支持多達4個(gè)Camera Link連接器，可用于雙通道輸出，還具備VGA、GPIO、LAN，以及兩個(gè)位于前面板的USB接口。這款AVP刀鋒板卡支持內建在PMC模塊上的Camera Link或IEEE 1394接口，并安裝于兩個(gè)板上64位/133MHz PCI-X插槽中。由于內建了CompactFlash卡槽，因此系統集成商能方便地建立操作系統影像文件(OS image)以啟動(dòng)系統。aTCA-6890的后方轉換模塊(Rear Transition Module，RTM)則提供儲存未來(lái)分析影像所需的額外2.5英寸SATA硬盤(pán)儲存接口。

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在凌華科技 AVP刀鋒板卡上，針對高性能Camera Link或IEEE 1394接口的板上PMC模塊可支持高速影像數據交換。通過(guò)針對FPGA制造商的IP核心開(kāi)發(fā)寫(xiě)入/讀取包裝程序(wrapper)，將可達到大容量系統的優(yōu)勢，讓用戶(hù)定義每個(gè)讀/寫(xiě)端口的總線(xiàn)寬度，并使運算更有效率。而通過(guò)板上的高密度、客制化、基于FPGA的處理核心，每個(gè)通道均可支持高達640MB/s的影像數據傳輸率，而畫(huà)素頻率則可達到85MHz。

凌華科技 AVP系統提供了標準平臺，而且僅需客制化的PMC卡就可具備所有功能。該平臺可大幅縮短應用開(kāi)發(fā)與系統升級時(shí)間，并允許系統集成商為前置或后影像處理建置專(zhuān)有的FPGA技術(shù)。由于制造環(huán)境正在產(chǎn)生變化，廠(chǎng)商所制造的產(chǎn)品越來(lái)越精巧，或是極容易受到污染，例如集成電路與對溫度敏感的組件，以及也許必須采用非接觸式或非侵入式測試方法的藥品等。視覺(jué)檢測對于訴求安全的應用同樣有益，如采用有害物質(zhì)的零組件等。恰當地配置讓系統集成商不僅可在許多高端制程中通過(guò)改善效率提升附加價(jià)值，而且還能在制造過(guò)程中依需求

對收集到的數據進(jìn)行統計并實(shí)時(shí)提供反饋信息。AVP系統的強大功能、靈活性與連接能力，在必須以相對較低成本達到100%檢測以實(shí)現高生產(chǎn)率的應用中，幾乎已經(jīng)成為一種必要配備。

結論

本文針對高端機器視覺(jué)應用介紹了一種創(chuàng )新的解決方案，能滿(mǎn)足先進(jìn)技術(shù)、客制化與應用的需求。此外，該方案也強調通過(guò)采用革命性的ATCA架構，可降低操作成本并減少使用空間。凌華科技的AVP刀鋒產(chǎn)品提供了較現有服務(wù)器與單板工業(yè)計算機方案更優(yōu)良的性能，是專(zhuān)為滿(mǎn)足當前與未來(lái)嵌入式視覺(jué)系統所設計的解決方案。

關(guān)于作者

黃怡暾 現為凌華科技工業(yè)計算機產(chǎn)品部副總經(jīng)理。主要負責領(lǐng)導凌華科技通訊及嵌入式計算機產(chǎn)品的研發(fā)與營(yíng)銷(xiāo)。他在PC自動(dòng)化、通訊與嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域均擁有豐富經(jīng)驗。