基于ATCA AVP系統(tǒng)的高端機(jī)器視覺應(yīng)用的解決方案

作者：黃怡暾，凌華科技工業(yè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品部

機(jī)器視覺的市場(chǎng)應(yīng)用日益增加

機(jī)器視覺系統(tǒng)集成商與設(shè)備供貨商不斷尋求可執(zhí)行復(fù)雜影像處理算法的新興解決方案和高性能計(jì)算機(jī)，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(yīng)用于平面顯示器（FPD）產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）即為一個(gè)例子。隨著FPD產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在單一系統(tǒng)上需要多種高分辨率攝像機(jī)的需求正在提升，在此同時(shí)，數(shù)據(jù)吞吐能力也成為處理大量數(shù)據(jù)負(fù)載的關(guān)鍵。包含掃描與面掃描（area scan）在內(nèi)，正呈現(xiàn)出驚人成長的大尺寸影像視覺應(yīng)用需要成像、顯示、儲(chǔ)存、實(shí)時(shí)可視化以及階處理能力。一般的AOI應(yīng)用通常采用了搭載雙CPU，以及一片用于攝像機(jī)接口PCI-X附加卡的服務(wù)器。然而，在需要多個(gè)攝像機(jī)時(shí)，就需要更多臺(tái)服務(wù)器，以建構(gòu)一個(gè)可用的AOI系統(tǒng)。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(hù)。此外，服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換也為系統(tǒng)集成商與管理人員帶來了更大挑戰(zhàn)。

AOI系統(tǒng)不僅適用于FPD產(chǎn)業(yè)，其應(yīng)用領(lǐng)域還橫跨了一系列運(yùn)用視覺輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的工業(yè)應(yīng)用。包括自動(dòng)化機(jī)器人的導(dǎo)航導(dǎo)引系統(tǒng)、用于操作任務(wù)的位置與結(jié)構(gòu)信息、地形繪制功能（特別是在偏僻環(huán)境或在天災(zāi)期間），另外還包括了在高速及大量生產(chǎn)過程中的計(jì)算機(jī)輔助作業(yè)等，均已成為AOI技術(shù)的必然應(yīng)用領(lǐng)域，而且均充份使用了該技術(shù)提供的優(yōu)勢(shì)。AOI系統(tǒng)搭載了特有的人機(jī)接口，能讓操作人員執(zhí)行無論對(duì)工業(yè)或應(yīng)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(tǒng)的功能包含了將影像采集到計(jì)算機(jī)、將影像轉(zhuǎn)換為可用格式、將影像調(diào)整為所需大小，還能計(jì)算適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)以呈現(xiàn)影像并執(zhí)行質(zhì)量檢查。在特別針對(duì)制造環(huán)境應(yīng)用時(shí)，AOI系統(tǒng)不僅要滿足對(duì)高速、高分辨率、24小時(shí)運(yùn)作、可重復(fù)測(cè)量等要求，還必須能在整個(gè)生產(chǎn)過程中進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、追蹤與質(zhì)量保證。

一些較具特色的AOI系統(tǒng)采用了客制化數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），為結(jié)果轉(zhuǎn)譯與缺陷定位提供了基礎(chǔ)解決方案。與傳統(tǒng)上許多產(chǎn)業(yè)采用的手動(dòng)儲(chǔ)存及檢測(cè)移動(dòng)的方法相較，通過先進(jìn)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，用戶可獲得更多質(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）。舉例來說，在木板業(yè)，提升由機(jī)器視覺系統(tǒng)所做的決定數(shù)量，可增加生產(chǎn)率及提高合格率，而且可運(yùn)用較少的生產(chǎn)線人力實(shí)現(xiàn)更精確的產(chǎn)品分類，通過削減成本協(xié)助一家公司達(dá)到獲利底線。AOI系統(tǒng)可在制造環(huán)境中顯著提高價(jià)值，在這些環(huán)境中，為了提升最終產(chǎn)品的一致性，制造過程通常充滿了變量。

不過，值得注意的是，若缺乏適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)架構(gòu)與控制功能，在必須使用多種編程語言整合DSP與FPGA時(shí)，AOI系統(tǒng)會(huì)擔(dān)負(fù)較長的開發(fā)時(shí)間與付出更多工程資源的風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)先進(jìn)AOI應(yīng)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(xiàn)最佳平衡的平臺(tái)，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(tǒng)維護(hù)等息息相關(guān)。

ATCA Advanced Vision Platform （AVP） 平臺(tái)滿足高端視覺系統(tǒng)需求

盡管最初的設(shè)計(jì)是針對(duì)下一代電信應(yīng)用，但先進(jìn)電信運(yùn)算架構(gòu)（簡稱AdvancedTCA或ATCA）也已經(jīng)證實(shí)是解決當(dāng)前高端機(jī)器視覺系統(tǒng)問題的理想方案。這種開放式架構(gòu)可節(jié)省開發(fā)時(shí)間及相關(guān)成本，而配備PMC卡的ATCA系統(tǒng)還可進(jìn)行擴(kuò)展以提升系統(tǒng)靈活性。透過整合客制化PMC卡，并運(yùn)用創(chuàng)新的Gigabit以太網(wǎng)絡(luò)和機(jī)箱管理（shelf management）技術(shù)，以ATCA為基礎(chǔ)的機(jī)器視覺系統(tǒng)能在精巧、高密度的多刀鋒型機(jī)架系統(tǒng)中巧妙地滿足其性能需求。

具備PCI-X PMC模塊的高性能CPU刀鋒板卡可用來建構(gòu)單一的先進(jìn)CPU平臺(tái)。一個(gè)PMC模塊就能與好幾種攝像機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)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(jī)等。透過適當(dāng)?shù)卣线@些技術(shù)與靈活的架構(gòu)，PMC模塊可通過保證向后與前向兼容性，消除設(shè)備因陳舊而面臨報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)，隨著技術(shù)進(jìn)展維持系統(tǒng)的最佳執(zhí)行效能，并確保用戶可獲得最大的投資回報(bào)。

由于ATCA的刀鋒型架構(gòu)，針對(duì)AOI應(yīng)用，系統(tǒng)集成商可輕易地將多個(gè)攝像機(jī)整合到一個(gè)AVP之中。例如，若一片AVP刀鋒板卡必須處理來自兩臺(tái)Camera Link攝像機(jī)的影像數(shù)據(jù)，則一個(gè)5U的ATCA系統(tǒng)就能支持10臺(tái)Camera Link攝像機(jī)（見圖1）。與傳統(tǒng)的服務(wù)器解決方案相比，一個(gè)基于ATCA的AVP不需要五個(gè)服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)較有效率的作業(yè)。這種更精巧的產(chǎn)品不僅能讓基于ATCA的AVP節(jié)省更多空間，而且能協(xié)助簡化并減少大量布線、連接和基礎(chǔ)設(shè)備等許多工業(yè)領(lǐng)域使用者必須處理的問題，如此一來，將可騰出寶貴的空間用于其它用途。另外，ATCA平臺(tái)的熱機(jī)拔?。℉ot 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(yùn)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(tǒng) vs. 用于AOI的AVP系統(tǒng)。

由于具備了base/fabric接口，一款基于ATCA的AVP能讓系統(tǒng)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(nèi)，以便在板卡交換影像數(shù)據(jù)時(shí)，提供更快速的通道。

由于每個(gè)ATCA系統(tǒng)均具備系統(tǒng)管理的模塊指令，因此系統(tǒng)集成商可輕易地通過安裝機(jī)箱管理模塊（CMM）建構(gòu)一個(gè)高度可靠及可管理的平臺(tái)，以監(jiān)控并控制處理影像的刀鋒板卡及其它現(xiàn)場(chǎng)可換置組件（FRU）。CMM負(fù)責(zé)監(jiān)控機(jī)柜的運(yùn)作、報(bào)告異常情況、進(jìn)行錯(cuò)誤校正，同時(shí)能在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)互連。ATCA架構(gòu)的可靠性與靈活性確實(shí)能改善機(jī)器視覺系統(tǒng)的運(yùn)作效能，并通過減少現(xiàn)場(chǎng)人力及改善生產(chǎn)質(zhì)量協(xié)助企業(yè)節(jié)省成本。

凌華科技的aTCA-6890是首款以ATCA架構(gòu)，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(yīng)用的的刀鋒板卡。 （見圖2與圖3）。每個(gè)刀鋒板卡均支持兩個(gè)核心速率高達(dá)3.4GHz的低電壓Intel？ LV Xeon？處理器。由于Intel？的超執(zhí)行緒（Hyperthreading）技術(shù)與EM64T 64位運(yùn)算能力，該平臺(tái)能為橫跨多種應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)類別的復(fù)雜影像處理提供強(qiáng)大運(yùn)算效能。由于支持高達(dá)16GB的DDR2內(nèi)存，這款A(yù)VP刀鋒板卡為高密度影像數(shù)據(jù)的處理及儲(chǔ)存提供了大容量內(nèi)存吞吐率。凌華科技的aTCA-6890呈現(xiàn)出了與傳統(tǒng)私有機(jī)器視覺系統(tǒng)集成商截然不同的設(shè)計(jì)方向，它減少了對(duì)DSP的需求，并運(yùn)用了ATCA在功率與性能方面的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)AOI應(yīng)用，一個(gè)AVP刀鋒板卡可利用高效能CPU，以最佳等級(jí)處理數(shù)據(jù)，同時(shí)執(zhí)行復(fù)雜的型態(tài)學(xué)運(yùn)算。由于具備了更大的內(nèi)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(chǔ)存大量影像數(shù)據(jù)，若有需要，也能進(jìn)行精確追蹤與除錯(cuò)。

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(jié)構(gòu)圖。

在針對(duì)AVP建構(gòu)一個(gè)具成本效益，以及可節(jié)省空間的平臺(tái)時(shí)，另一項(xiàng)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(tái)支持多達(dá)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A(yù)VP刀鋒板卡支持內(nèi)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(nèi)建了CompactFlash卡槽，因此系統(tǒng)集成商能方便地建立操作系統(tǒng)影像文件（OS image）以啟動(dòng)系統(tǒng)。aTCA-6890的后方轉(zhuǎn)換模塊（Rear Transition Module，RTM）則提供儲(chǔ)存未來分析影像所需的額外2.5英寸SATA硬盤儲(chǔ)存接口。

在凌華科技 AVP刀鋒板卡上，針對(duì)高性能Camera Link或IEEE 1394接口的板上PMC模塊可支持高速影像數(shù)據(jù)交換。通過針對(duì)FPGA制造商的IP核心開發(fā)寫入/讀取包裝程序（wrapper），將可達(dá)到大容量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，讓用戶定義每個(gè)讀/寫端口的總線寬度，并使運(yùn)算更有效率。而通過板上的高密度、客制化、基于FPGA的處理核心，每個(gè)通道均可支持高達(dá)640MB/s的影像數(shù)據(jù)傳輸率，而畫素頻率則可達(dá)到85MHz。

凌華科技 AVP系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，而且僅需客制化的PMC卡就可具備所有功能。該平臺(tái)可大幅縮短應(yīng)用開發(fā)與系統(tǒng)升級(jí)時(shí)間，并允許系統(tǒng)集成商為前置或后影像處理建置專有的FPGA技術(shù)。由于制造環(huán)境正在產(chǎn)生變化，廠商所制造的產(chǎn)品越來越精巧，或是極容易受到污染，例如集成電路與對(duì)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(cè)試方法的藥品等。視覺檢測(cè)對(duì)于訴求安全的應(yīng)用同樣有益，如采用有害物質(zhì)的零組件等。恰當(dāng)?shù)嘏渲米屜到y(tǒng)集成商不僅可在許多高端制程中通過改善效率提升附加價(jià)值，而且還能在制造過程中依需求

對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并實(shí)時(shí)提供反饋信息。AVP系統(tǒng)的強(qiáng)大功能、靈活性與連接能力，在必須以相對(duì)較低成本達(dá)到100%檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率的應(yīng)用中，幾乎已經(jīng)成為一種必要配備。

結(jié)論

本文針對(duì)高端機(jī)器視覺應(yīng)用介紹了一種創(chuàng)新的解決方案，能滿足先進(jìn)技術(shù)、客制化與應(yīng)用的需求。此外，該方案也強(qiáng)調(diào)通過采用革命性的ATCA架構(gòu)，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(xiàn)有服務(wù)器與單板工業(yè)計(jì)算機(jī)方案更優(yōu)良的性能，是專為滿足當(dāng)前與未來嵌入式視覺系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的解決方案。

責(zé)任編輯：gt