基于AdvancedTCA架構的機器視覺高端應用計算機平臺

機器視覺的市場應用日益增加

機器視覺系統(tǒng)集成商與設備供貨商不斷尋求可執(zhí)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間周期的產品。應用于平面顯示器(FPD)產業(yè)的自動光學檢測(AOI)即為一個例子。隨著FPD產業(yè)的發(fā)展，在單一系統(tǒng)上需要多種高分辨率攝像機的需求正在提升，在此同時，數據吞吐能力也成為處理大量數據負載的關鍵。包含掃描與面掃描(area scan)在內，正呈現出驚人成長的大尺寸影像視覺應用需要成像、顯示、儲存、實時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附加卡的服務器。然而，在需要多個攝像機時，就需要更多臺服務器，以建構一個可用的AOI系統(tǒng)。這些服務器占用了寶貴的空間，且需要大量的管理及維護。此外，服務器之間的數據交換也為系統(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產業(yè)，其應用領域還橫跨了一系列運用視覺輸入進行數據處理的工業(yè)應用。包括自動化機器人的導航導引系統(tǒng)、用于操作任務的位置與結構信息、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

速及大量生產過程中的計算機輔助作業(yè)等，均已成為AOI技術的必然應用領域，而且均充份使用了該技術提供的優(yōu)勢。AOI系統(tǒng)搭載了特有的人機接口，能讓操作人員執(zhí)行無論對工業(yè)或應用而言，都是最關鍵的實時與精確的操作控制。

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(zhí)行質量檢查。在特別針對制造環(huán)境應用時，AOI系統(tǒng)不僅要滿足對高速、高分辨率、24小時運作、可重復測量等要求，還必須能在整個生產過程中進行自動識別、追蹤與質量保證。

一些較具特色的AOI系統(tǒng)采用了客制化數字信號處理器(DSP)與現場可編程門陣列(FPGA)，為結果轉譯與缺陷定位提供了基礎解決方案。與傳統(tǒng)上許多產業(yè)采用的手動儲存及檢測移動的方法相較，通過先進光學檢測技術，用戶可獲得更多質量良好的產品(高良率)，并消除缺陷產品所占比重(質量控制)。舉例來說，在木板業(yè)，提升由機器視覺系統(tǒng)所做的決定數量，可增加生產率及提高合格率，而且可運用較少的生產線人力實現更精確的產品分類，通過削減成本協助一家公司達到獲利底線。AOI系統(tǒng)可在制造環(huán)境中顯著提高價值，在這些環(huán)境中，為了提升最終產品的一致性，制造過程通常充滿了變量。

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

針對先進AOI應用的理想解決方案，將是一種能在產能與成本比例中實現最佳平衡的平臺，而產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)維護等息息相關。

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

盡管最初的設計是針對下一代電信應用，但先進電信運算架構(簡稱AdvancedTCA或ATCA)也已經證實是解決當前高端機器視覺系統(tǒng)問題的理想方案。這種開放式架構可節(jié)省開發(fā)時間及相關成本，而配備PMC卡的ATCA系統(tǒng)還可進行擴展以提升系統(tǒng)靈活性。透過整合客制化PMC卡，并運用創(chuàng)新的Gigabit以太網絡和機箱管理(shelf management)技術，以ATCA為基礎的機器視覺系統(tǒng)能在精巧、高密度的多刀鋒型機架系統(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單一的先進CPU平臺。一個PMC模塊就能與好幾種攝像機接口標準進行通訊，包括Camera Link、Firewire，以及逐漸成為主流的Gigabit以太網絡接口攝像機等。透過適當地整合這些技術與靈活的架構，PMC模塊可通過保證向后與前向兼容性，消除設備因陳舊而面臨報廢的風險，隨著技術進展維持系統(tǒng)的最佳執(zhí)行效能，并確保用戶可獲得最大的投資回報。

由于ATCA的刀鋒型架構，針對AOI應用，系統(tǒng)集成商可輕易地將多個攝像機整合到一個AVP之中。例如，若一片AVP刀鋒板卡必須處理來自兩臺Camera Link攝像機的影像數據，則一個5U的ATCA系統(tǒng)就能支持10臺Camera Link攝像機(見圖1)。與傳統(tǒng)的服務器解決方案相比，一個基于ATCA的AVP不需要五個服務器來實現較有效率的作業(yè)。這種更精巧的產品不僅能讓基于ATCA的AVP節(jié)省更多空間，而且能協助簡化并減少大量布線、連接和基礎設備等許多工業(yè)領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都不會中斷運作，大幅減少了維修和更換組件的時間。

圖1：服務器系統(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以太網絡的接口在內，以便在板卡交換影像數據時，提供更快速的通道。

由于每個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箱管理模塊(CMM)建構一個高度可靠及可管理的平臺，以監(jiān)控并控制處理影像的刀鋒板卡及其它現場可換置組件(FRU)。CMM負責監(jiān)控機柜的運作、報告異常情況、進行錯誤校正，同時能在系統(tǒng)中實現互連。ATCA架構的可靠性與靈活性確實能改善機器視覺系統(tǒng)的運作效能，并通過減少現場人力及改善生產質量協助企業(yè)節(jié)省成本。

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

均支持兩個核心速率高達3.4GHz的低電壓Intel® LV Xeon®處理器。由于Intel®的超執(zhí)行緒(Hyperthreading)技術與EM64T 64位運算能力，該平臺能為橫跨多種應用與產業(yè)類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內存吞吐率。凌華科技的aTCA-6890呈現出了與傳統(tǒng)私有機器視覺系統(tǒng)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AVP刀鋒板卡可利用高效能CPU，以最佳等級處理數據，同時執(zhí)行復雜的型態(tài)學運算。由于具備了更大的內存帶寬與容量，AVP刀鋒板卡技術可進一步協助使用者儲存大量影像數據，若有需要，也能進行精確追蹤與除錯。

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建構一個具成本效益，以及可節(jié)省空間的平臺時，另一項不可或缺的重點是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Camera Link連接器，可用于雙通道輸出，還具備VGA、GPIO、LAN，以及兩個位于前面板的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，并安裝于兩個板上64位/133MHz PCI-X插槽中。由于內建了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)以啟動系統(tǒng)。aTCA-6890的后方轉換模塊(Rear Transition Module，RTM)則提供儲存未來分析影像所需的額外2.5英寸SATA硬盤儲存接口。

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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。通過針對FPGA制造商的IP核心開發(fā)寫入/讀取包裝程序(wrapper)，將可達到大容量系統(tǒng)的優(yōu)勢，讓用戶定義每個讀/寫端口的總線寬度，并使運算更有效率。而通過板上的高密度、客制化、基于FPGA的處理核心，每個通道均可支持高達640MB/s的影像數據傳輸率，而畫素頻率則可達到85MHz。

凌華科技 AVP系統(tǒng)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發(fā)與系統(tǒng)升級時間，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。由于制造環(huán)境正在產生變化，廠商所制造的產品越來越精巧，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。視覺檢測對于訴求安全的應用同樣有益，如采用有害物質的零組件等。恰當地配置讓系統(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值，而且還能在制造過程中依需求

對收集到的數據進行統(tǒng)計并實時提供反饋信息。AVP系統(tǒng)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%檢測以實現高生產率的應用中，幾乎已經成為一種必要配備。

結論

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

關于作者

黃怡暾 現為凌華科技工業(yè)計算機產品部副總經理。主要負責領導凌華科技通訊及嵌入式計算機產品的研發(fā)與營銷。他在PC自動化、通訊與嵌入式產品領域均擁有豐富經驗。