Es geht noch smarter

Die Evolution der Machine-Vision-Kameras spiegelt in vielerlei Hinsicht die Evolution des modernen Personal Computers wider: Immer kleinere Formfaktoren, dramatische Zugewinne bei der Prozessorleistung und ein wachsendes Ökosystem an Software und Entwicklungswerkzeugen ermöglichen bessere Systeme mit gesteigerter Produktivität und Vielseitigkeit. Mit der Einbindung der Heterogenen System Architektur (HSA) für Performancezuwachs, haben die Smart-Kamera-Entwickler bei Ximea neueste Machine-Vision- und x86er-Technologie vereint, um die leistungsfähigste ‚PC-Kamera‘ vorzustellen.
Nach dem Designprinzip Leonardo da Vincis „Einfachheit ist die höchste Stufe der Vollendung“ orientiert sich der Anbieter von Smart-Kameras und Machine-Vision-Technologie. So entstand die Currera Smart-Kamera-Familie oder auch ‚PC-Kameras‘: Das intelligente Vision-System verzichtet auf traditionelle DSP-, RISC- und FPGA-basierte Prozessorplattformen zugunsten einer x86er-basierten Prozessorarchitektur. Diese Abwendung von spezialisierten Legacy-Plattformen und dem limitierten Ökosystem an unterstützter Bildverarbeitungssoftware erwies sich als Wendepunkt für die Machine-Vision-Industrie: Systemintegratoren und Anlagenbauern ermöglichte dieses Vorgehen, Hardware- und Software-Inkompatibilitäten zu umgehen. Ebenfalls erübrigt sich umständliche Software-Pflege. Indem die Currera PC-Kamera-Serie auf einer x86er-Prozessorplattform aufsetzt, profitierte der Kamera-Hersteller sowohl von einer Verarbeitungsleistung auf PC-Niveau sowie von Flexibilität bei den Anwendungen, ergänzt um ein großes Angebot standardbasierter, auf x86 abgestimmte Applikationen und Entwicklungsumgebungen. Die volle Kompatibilität zu Microsoft Windows und Linux Betriebssystemen erleichtert Entwicklung, Installation und Verwaltung von Vision-Systemen und ermöglicht zugleich Interoperabilität mit x86er Internet Backbone-Infrastrukturen, um auch für verbesserte Remote-Management-Funktionalitäten zu sorgen. Dadurch ergeben sich schlankere Kostenstrukturen für Systemintegratoren und Endanwender.

APIs für 25 Bildverarbeitungsbibliotheken

Ausgestattet mit umfassend getesteten Microsoft Windows- und Linux-basierten Programmierschnittstellen (APIs) für 25 der gebräuchlichsten Bildverarbeitungsbibliotheken, bietet die Serie von PC-Kameras Systemintegratoren Plug-&-Play-Flexibilität bei der Installation; Systemintegratoren brauchen keine spezialisierten Kamera-Serien für kundenspezifische Bildverarbeitungsbibliotheken zu bevorraten und zu unterstützen. Auch müssen sie nicht länger Programmcode für die Wiederverwendung modifizieren oder kundenspezifische APIs entwickeln. Die PC-Kameras der Currera Serie ermöglichen zudem hohe Interoperabilität mit verschiedenen Applikationen.

Ziel: Leistungspotenzial erhöhen

Mit der Entwicklung der ersten PC-Kamera der Baureihe hat der Hersteller ehrgeizige Designziele in Hinblick auf Formfaktor und Integration realisiert. Es entstand ein Vision System, das einen funktionsfähigen Personal Computer, Standard-PC-Peripherie und internetfähige Remote-Management-Funktionalitäten in einem kompakten (59x110x48mm), IP67-geschützten Industriegehäuse unterbringt. So hat die Einführung der PC-Kamera-Serie die Vision-System-Technologie grundlegend verändert und ermöglicht neue Funktionen für eine breite Palette von Applikationen wie Machine-Vision, automatisierte Qualitätskontrolle, kontaktlose Messung und Sicherheitsanwendungen. Aber damit war die Arbeit des Herstellers doch noch nicht vollendet: Der Prozessor im Herzen der Currera-R PC Kamera begrenzte die Systemperformance auf rund 2 GFlops – zwar eine eindrucksvolle Leistung im Vergleich zu konventionellen Smart-Kameras, aber nicht genug, um die ehrgeizigen Leistungsvorgaben des Herstellers zu erreichen. Das Design-Team zielte vielmehr auf eine Smart-Kamera, die die Inspektionsrate auf bisher nicht dagewesene Geschwindigkeiten steigert. Die Entwickler suchten deshalb nach einer Prozessorplattform, die Bilderkennung und Identifikation in einem bisher nicht dagewesenen Präzisionsgrad leisten kann. Den Designern war klar, dass die Kameras ihre Leistungsfähigkeit im Feld durch immense Zuwächse bei Produktivität, Qualitätskontrolle und Vielseitigkeit des gesamten Vision-Systems unter Beweis stellen müssen, um die Aufmerksamkeit der Systemintegratoren und Anlagenbauer auf sich zu ziehen. Davon überzeugt, dass das volle Leistungspotenzial x86er-basierter Smart-Kameras nicht mit traditionellen CPU-Architekturen erfüllt werden kann, richtete das Design Team seine Aufmerksamkeit auf den AMD Embedded G-Series Prozessor mit heterogener System-Architektur.

Von 2 GFlops auf 90 GFlops mit der HSA-Technologie

Mit der Einführung der zweiten Generation der Currera PC-Kameras – der Currera-G Kamera-Serie, basierend auf der AMD Embedded G-Series Plattform – hat Ximea die Verarbeitungsleistung seiner Plattform von 2 GFlops auf 90 GFlops gesteigert: ein Leistungszuwachs um das 45-fache. Die Currera-G PC-Kamera integriert einen Single-Board-Computer auf Basis der AMD Embedded G-Series Accelerated Processing Unit (APU). APUs kombinieren eine Low-Power CPU und eine programmierbare GPU mit dem Leistungsniveau einer dedizierten Grafikkarte auf einem Chip zusammen mit einer High-Speed Bus-Architektur. Die Kombination aus GPU und CPU auf demselben Chip ermöglichte es dem Hersteller, die aufwändige Verarbeitung von Pixel-Daten von der CPU auf die GPU auszulagern. Da die CPU von diesen Aufgaben entlastet wird, kann sie I/O-Anfragen mit viel geringerer Latenz bedienen. Das steigert die Echtzeit-Performance des gesamten Systems deutlich. Die AMD Embedded G-Series APU ermöglicht einen auf die Anwendung abgestimmten Datenpfad zwischen dem Bildsensor und der Applikation. Damit lässt sich ein CPU-Overhead bei der Bilddatenübertragung vermeiden. Der direkte Zugriff auf den gemeinsamen geteilten Speicher zwischen CPU und GPU gestattet einen direkten Datentransfer bei geringer Latenz. Indes erledigen die Vektorprozessoren in der integrierten GPU – 80 Shadereinheiten bei je 500MHz (AMD G-T56N) – die High-Speed-Parallelverarbeitung, die für umfangreiche numerische Berechnungen notwendig ist. Zusätzlich zu einem Leistungsniveau, das viele Smart-Kameras übertrifft, unterstützten die PC-Kameras Auflösungen von WVGA bis 5 Megapixel und integrieren zwei MicroSD-Kartenslots. Die Kameras bieten zudem eine Reihe von I/O-Optionen, einschließlich Gigabit Ethernet (GigE), USB-Schnittstellen, VGA, RS232 sowie acht isolierte Digitale Ein- und Ausgänge, programmierbare, stromgeregelte Ausgänge für LED-Beleuchtung und einen grafisch konfigurierbaren Micro PLC, der mit Jitter-Genauigkeiten von unter einer Mikrosekunde arbeitet.

Reduktion auf Zwei-Chip-Plattform

Ohne die platzsparende AMD Embedded G-Series APU wäre die Integration einer GPU auf das Currera Prozessor-Modul im gegebenen Formfaktor extrem schwierig, wenn nicht sogar unmöglich gewesen. Sie reduziert den Footprint einer traditionellen Drei-Chip-Plattform aus CPU, Northbridge und Southbridge auf nur zwei Chips: die APU und den begleitenden Controller Hub. Damit lies sich die Designkomplexität reduzieren, um so die ehrgeizigen Formfaktor-Ziele zu realisieren. Bei der Entwicklung der Currera-G PC-Kamera auf Basis der AMD Embedded G-Series APU waren die Designer in der Lage, das Prozessormodul samt Festkörperkühlung in ein Gehäuse mit fast identischen Abmaßen von 62x105x62mm zu früheren, Currera-R PC-Kameras zu integrieren. Am Ende erreichte Ximea einen 45fachen Zuwachs an Leistung ohne höheren Platzverbrauch.

Programmierplattform für beschleunigte Bildverarbeitung

AMDs Unterstützung der plattformübergreifenden und offenen Open Computing Language (OpenCL) kam dem Kamera-Hersteller ebenfalls entgegen: Den Entwicklern ermöglicht die Programmierplattform, einfachen und kostengünstigeren Programmcode erstellen, der die Bildverarbeitung Currera-G-basierter Vision System-Applikationen beschleunigt. OpenCL APIs gestatten Entwicklern, Code über CPU-, GPU- und APU-Plattformen der führenden Prozessorhersteller hinweg weiter zu verwenden. Und genauso wie die Currera-G PC-Kamera auf Basis des AMD Embedded G-Series Prozessors Endnutzern reichlich Performance-Spielraum für eine zukunftssichere Investition bereitstellt, so wird auch OpenCL Entwicklern eine zukunftssichere Code-Entwicklung ermöglicht.