基于ATCA AVP系统的高端机器视觉应用的解决方案

作者：黄怡暾，凌华科技工业计算机产品部

机器视觉的市场应用日益增加

机器视觉系统集成商与设备供货商不断寻求可执行复杂影像处理算法的新兴解决方案和高性能计算机，以及更具成本效益并具备更快上市时间周期的产品。应用于平面显示器（FPD）产业的自动光学检测（AOI）即为一个例子。随着FPD产业的发展，在单一系统上需要多种高分辨率摄像机的需求正在提升，在此同时，数据吞吐能力也成为处理大量数据负载的关键。包含扫描与面扫描（area scan）在内，正呈现出惊人成长的大尺寸影像视觉应用需要成像、显示、储存、实时可视化以及阶处理能力。一般的AOI应用通常采用了搭载双CPU，以及一片用于摄像机接口PCI-X附加卡的服务器。然而，在需要多个摄像机时，就需要更多台服务器，以建构一个可用的AOI系统。这些服务器占用了宝贵的空间，且需要大量的管理及维护。此外，服务器之间的数据交换也为系统集成商与管理人员带来了更大挑战。

AOI系统不仅适用于FPD产业，其应用领域还横跨了一系列运用视觉输入进行数据处理的工业应用。包括自动化机器人的导航导引系统、用于操作任务的位置与结构信息、地形绘制功能（特别是在偏僻环境或在天灾期间），另外还包括了在高速及大量生产过程中的计算机辅助作业等，均已成为AOI技术的必然应用领域，而且均充份使用了该技术提供的优势。AOI系统搭载了特有的人机接口，能让操作人员执行无论对工业或应用而言，都是最关键的实时与精确的操作控制。

AOI系统的功能包含了将影像采集到计算机、将影像转换为可用格式、将影像调整为所需大小，还能计算适当的数据以呈现影像并执行质量检查。在特别针对制造环境应用时，AOI系统不仅要满足对高速、高分辨率、24小时运作、可重复测量等要求，还必须能在整个生产过程中进行自动识别、追踪与质量保证。

一些较具特色的AOI系统采用了客制化数字信号处理器（DSP）与现场可编程门阵列（FPGA），为结果转译与缺陷定位提供了基础解决方案。与传统上许多产业采用的手动储存及检测移动的方法相较，通过先进光学检测技术，用户可获得更多质量良好的产品（高良率），并消除缺陷产品所占比重（质量控制）。举例来说，在木板业，提升由机器视觉系统所做的决定数量，可增加生产率及提高合格率，而且可运用较少的生产线人力实现更精确的产品分类，通过削减成本协助一家公司达到获利底线。AOI系统可在制造环境中显著提高价值，在这些环境中，为了提升最终产品的一致性，制造过程通常充满了变量。

不过，值得注意的是，若缺乏适当的计算机架构与控制功能，在必须使用多种编程语言整合DSP与FPGA时，AOI系统会担负较长的开发时间与付出更多工程资源的风险。因此，这些解决方案在获得并采用新型DSP技术时，必须在软硬件方面付出更多的投资。

针对先进AOI应用的理想解决方案，将是一种能在产能与成本比例中实现最佳平衡的平台，而产能与成本比例则与制造程序、输出入支持、易于编程、客制化与系统维护等息息相关。

ATCA Advanced Vision Platform （AVP） 平台满足高端视觉系统需求

尽管最初的设计是针对下一代电信应用，但先进电信运算架构（简称AdvancedTCA或ATCA）也已经证实是解决当前高端机器视觉系统问题的理想方案。这种开放式架构可节省开发时间及相关成本，而配备PMC卡的ATCA系统还可进行扩展以提升系统灵活性。透过整合客制化PMC卡，并运用创新的Gigabit以太网络和机箱管理（shelf management）技术，以ATCA为基础的机器视觉系统能在精巧、高密度的多刀锋型机架系统中巧妙地满足其性能需求。

具备PCI-X PMC模块的高性能CPU刀锋板卡可用来建构单一的先进CPU平台。一个PMC模块就能与好几种摄像机接口标准进行通讯，包括Camera Link、Firewire，以及逐渐成为主流的Gigabit以太网络接口摄像机等。透过适当地整合这些技术与灵活的架构，PMC模块可通过保证向后与前向兼容性，消除设备因陈旧而面临报废的风险，随着技术进展维持系统的最佳执行效能，并确保用户可获得最大的投资回报。

由于ATCA的刀锋型架构，针对AOI应用，系统集成商可轻易地将多个摄像机整合到一个AVP之中。例如，若一片AVP刀锋板卡必须处理来自两台Camera Link摄像机的影像数据，则一个5U的ATCA系统就能支持10台Camera Link摄像机（见图1）。与传统的服务器解决方案相比，一个基于ATCA的AVP不需要五个服务器来实现较有效率的作业。这种更精巧的产品不仅能让基于ATCA的AVP节省更多空间，而且能协助简化并减少大量布线、连接和基础设备等许多工业领域使用者必须处理的问题，如此一来，将可腾出宝贵的空间用于其它用途。另外，ATCA平台的热机拔取（Hot Swapping）与完全冗余特性（Fully Redundancy） 可确保在移除任何组件时都不会中断运作，大幅减少了维修和更换组件的时间。

图1：服务器系统 vs. 用于AOI的AVP系统。

由于具备了base/fabric接口，一款基于ATCA的AVP能让系统集成商在处理影像的刀锋板卡之间建立通讯，包括基于Gigabit以太网络的接口在内，以便在板卡交换影像数据时，提供更快速的通道。

由于每个ATCA系统均具备系统管理的模块指令，因此系统集成商可轻易地通过安装机箱管理模块（CMM）建构一个高度可靠及可管理的平台，以监控并控制处理影像的刀锋板卡及其它现场可换置组件（FRU）。CMM负责监控机柜的运作、报告异常情况、进行错误校正，同时能在系统中实现互连。ATCA架构的可靠性与灵活性确实能改善机器视觉系统的运作效能，并通过减少现场人力及改善生产质量协助企业节省成本。

凌华科技的aTCA-6890是首款以ATCA架构，搭配使用FPGA技术及Camera Link技术的影像采集的PMC模块，使用于高端影像处理应用的的刀锋板卡。 （见图2与图3）。每个刀锋板卡均支持两个核心速率高达3.4GHz的低电压Intel？ LV Xeon？处理器。由于Intel？的超执行绪（Hyperthreading）技术与EM64T 64位运算能力，该平台能为横跨多种应用与产业类别的复杂影像处理提供强大运算效能。由于支持高达16GB的DDR2内存，这款AVP刀锋板卡为高密度影像数据的处理及储存提供了大容量内存吞吐率。凌华科技的aTCA-6890呈现出了与传统私有机器视觉系统集成商截然不同的设计方向，它减少了对DSP的需求，并运用了ATCA在功率与性能方面的优势。针对AOI应用，一个AVP刀锋板卡可利用高效能CPU，以最佳等级处理数据，同时执行复杂的型态学运算。由于具备了更大的内存带宽与容量，AVP刀锋板卡技术可进一步协助使用者储存大量影像数据，若有需要，也能进行精确追踪与除错。

图2：凌华科技的AVP刀锋板卡。

图3：凌华科技的AVP刀锋板卡结构图。

在针对AVP建构一个具成本效益，以及可节省空间的平台时，另一项不可或缺的重点是I/O密度，这将能提供更大的灵活性，而且更容易管理。该平台支持多达4个Camera Link连接器，可用于双通道输出，还具备VGA、GPIO、LAN，以及两个位于前面板的USB接口。这款AVP刀锋板卡支持内建在PMC模块上的Camera Link或IEEE 1394接口，并安装于两个板上64位/133MHz PCI-X插槽中。由于内建了CompactFlash卡槽，因此系统集成商能方便地建立操作系统影像文件（OS image）以启动系统。aTCA-6890的后方转换模块（Rear Transition Module，RTM）则提供储存未来分析影像所需的额外2.5英寸SATA硬盘储存接口。

在凌华科技 AVP刀锋板卡上，针对高性能Camera Link或IEEE 1394接口的板上PMC模块可支持高速影像数据交换。通过针对FPGA制造商的IP核心开发写入/读取包装程序（wrapper），将可达到大容量系统的优势，让用户定义每个读/写端口的总线宽度，并使运算更有效率。而通过板上的高密度、客制化、基于FPGA的处理核心，每个通道均可支持高达640MB/s的影像数据传输率，而画素频率则可达到85MHz。

凌华科技 AVP系统提供了标准平台，而且仅需客制化的PMC卡就可具备所有功能。该平台可大幅缩短应用开发与系统升级时间，并允许系统集成商为前置或后影像处理建置专有的FPGA技术。由于制造环境正在产生变化，厂商所制造的产品越来越精巧，或是极容易受到污染，例如集成电路与对温度敏感的组件，以及也许必须采用非接触式或非侵入式测试方法的药品等。视觉检测对于诉求安全的应用同样有益，如采用有害物质的零组件等。恰当地配置让系统集成商不仅可在许多高端制程中通过改善效率提升附加价值，而且还能在制造过程中依需求

对收集到的数据进行统计并实时提供反馈信息。AVP系统的强大功能、灵活性与连接能力，在必须以相对较低成本达到100%检测以实现高生产率的应用中，几乎已经成为一种必要配备。

结论

本文针对高端机器视觉应用介绍了一种创新的解决方案，能满足先进技术、客制化与应用的需求。此外，该方案也强调通过采用革命性的ATCA架构，可降低操作成本并减少使用空间。凌华科技的AVP刀锋产品提供了较现有服务器与单板工业计算机方案更优良的性能，是专为满足当前与未来嵌入式视觉系统所设计的解决方案。

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