Systémům počítačového vidění se dostává pomoci od deskových systémů

-- 17.11.11

Rozhraní PCI Express (PCIe) nabízí přenosovou rychlost několik gigabitů za sekundu a deterministické chování, což je vhodné pro použití s digitalizační kartou systému počítačového vidění – dokáže totiž zachycovat obrazové toky s vysokým rozlišením a vysokou snímkovou frekvencí.

Tradiční systémy počítačového vidění tvoří osobní počítač s digitalizační kartou (frame grabber) s rozhraním PCI Express (PCIe). Digitalizační karta zachycuje snímky z obrazového toku připojené kamery a odesílá je po sběrnici PCIe do počítače ke zpracování obrazu. Digitalizační karty můžeme najít v mnoha provedeních pro rozhraní s analogovými a digitálními kamerami – s populárními typy digitálních kamer, jako je CameraLink, IEEE 1394 a GigE Vision. Díky přenosové rychlosti několika gigabitů za sekundu a deterministickému chování je rozhraní PCIe vhodné pro použití se sběrnicí počítače s digitalizační kartou – dokáže totiž zachycovat obrazové toky s vysokým rozlišením a vysokou snímkovou frekvencí.

I když se systémy počítačového vidění na bázi PC stále široce využívají, mnoho výrobců OEM přechází k zabudovaným systémům počítačového vidění, které poskytují několik výhod oproti systémům na bázi PC, pokud jde o odolnost, přenosnost a spotřebu energie. Nejnovější zabudované systémy počítačového vidění využívají procesory ARM (Advanced RISC Machine) a digitální signálové procesory (DSP) běžící na frekvencích až 1 GHz a někdy i rychlejších, které umožňují zpracování vyspělých algoritmů počítačového vidění. Nejnovější generace zabudovaných procesorů vyniká ve zpracování algoritmů počítačového vidění a disponuje vysoce integrovanou sadou periferií, včetně kamery a videoartů jako rozhraní pro obrazové senzory a dekodéry videa.

Zabudovaná kamera a videoarty mohou sloužit jako integrovaná digitalizační zařízení a odstranit tak potřebu tradiční digitalizační zásuvné karty s rozhraním PCIe v systému. I když není zásuvná digitalizační karta na bázi sběrnice PCIe vyžadována, vývojáři našli alternativní použití pro rozhraní PCIe u těchto nových zabudovaných systémů počítačového vidění. Nejčastěji je to v oblasti vzájemné komunikace procesorů. Mnoho dnešních zabudovaných systémů počítačového vidění využívá dva nebo více specializovaných zabudovaných procesních integrovaných obvodů, jako jsou:

● procesor na bázi ARM provozující operační systém vysoké úrovně, jako je Linux, Google Android nebo Microsoft Windows Embedded CE, který řídí systém a zajišťuje síťové a zobrazovací funkce;

● programovatelné hradlové pole (FPGA) pro předběžné zpracování dat;

● signálový procesor DSP pro akceleraci algoritmů počítačového vidění;

● procesory 3D grafiky pro akceleraci vykreslování na pokročilém grafickém uživatelském rozhraní (GUI).

Pokud má každý z procesorů v systému rozhraní PCIe, lze použít PCIe přepínač pro umožnění komunikace s vysokou přenosovou rychlostí a nízkou latencí mezi nimi. Některé řadiče PCIe dokonce poskytují dva komplexní kořenové porty umožňující do systému rychle zapojit záložní hlavní procesor, jako je výše zmíněný ARM, pokud dojde na hlavním procesoru k selhání. Řadičem PCIe lze propojit různé procesory v zabudovaném systému počítačového vidění (viz schéma). Někteří dodavatelé integrovaných obvodů šli dokonce tak daleko, že integrují procesor ARM, DSP, obrazový předprocesor a grafický procesor do jednoho zařízení typu systému na čipu (System-on-Chip – SoC).

Příkladem je výše popsaný procesor C6A81x C6-Integra DSP + ARM. PCIe má další důležitou roli u těchto vysoce integrovaných systémů na čipu v tom, že poskytuje rozšiřující port neboli most pro rozvíjející se propojovací technologie, jako je 10 Gb Ethernet, Super Speed USB (USB3) a SATA 6 Gbit/s. Tyto mosty PCIe poskytují SoC přístup k I/O technologiím, které nebyly dostatečně zralé, aby byly integrovány do SoC v době jeho vývoje. Sběrnice PCIe v zásadě zajišťuje budoucí funkčnost I/O schopností SoC. Mosty PCIe lze použít pro rozšíření I/O schopností zabudovaného systému počítačového vidění (viz schéma).

Dvojnásobná přenosová rychlost, vyšší rozlišení

Stejně jako se rozvíjí role PCIe v systémech počítačového vidění, vyvíjí se i samotná technologie PCIe. V současnosti v zabudovaných systémech počítačového vidění dominují implementace PCIe 1.x, nicméně nejnovější zařízení významných dodavatelů mikroprocesorů již využívají implementace PCIe 2.x. V listopadu 2010 zpřístupnilo sdružení PCI-SIG specifikaci pro propojení PCIe 3.0, které zhruba zdvojnásobuje přenosovou rychlost oproti implementaci PCIe 2.x. Toto zvýšení přenosové rychlosti poskytne několik významných přínosů pro zabudované systémy počítačového vidění, které integrují PCIe 3.0. PCIe 3.0 umožní vyšší průchodnost mezi jednotlivými mikroprocesory v zabudovaném systému počítačového vidění využívajícím multiprocesing a umožní těmto systémům zvládat ještě vyšší rozlišení / snímkovací frekvence a větší počet souběžných obrazových toků.

U systémů, které nutně nevyžadují vyšší průchodnost, umožní PCIe 3.0 procesorům dosahovat podobné přenosové rychlosti jako PCIe 2.0, avšak s použitím menšího počtu datových tras. To může být velmi přínosné, protože dnešní zabudované procesory se setkávají s omezením, pokud jde o počet pinů. Navíc procesory s porty PCIe 3.0 poskytnou zabudovaným systémům počítačového vidění rozhraní pro přemostění k nové generaci multigigabitových kamerových komunikačních protokolů, funkčně podobných dnešním zásuvným digitalizačním kartám na bázi PCIe.

Dalším paralelním vývojovým krokem pro rozhraní PCIe bylo jeho začlenění do nové technologie Thunderbolt, vyvinuté společností Intel ve spolupráci se společností Apple, která kombinuje PCIe a DisplayPort v jedné kabelové přípojce z počítače. Jakmile začne technologie Thunderbolt převažovat, zabudované systémy počítačového vidění budou obsahovat mosty mezi technologií Thunderbolt a PCIe umožňující širokopásmové připojení k blízkému počítači. PCIe je mostem mezi světem PC a světem zabudovaných systémů počítačového vidění.

Brad Cobb je technik systémových aplikací  společnosti Texas Instruments.

Autor: Brad Cobb, Texas Instruments