Euresys CustomLogic模塊在高速視覺(jué)圖像處理的應(yīng)用

隨著技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的高精度化、高自動(dòng)化對(duì)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸都提出了更高的要求，傳輸過(guò)程中的大容量數(shù)據(jù)、高分辨率圖像給上位機(jī)的算法處理帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

高速視覺(jué)圖像處理一直在迅速發(fā)展，以滿足更大容量的圖像數(shù)據(jù)采集和傳輸，以及更高效的應(yīng)用檢測(cè)需求。CoaXPress視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)是最為流行且發(fā)展迅速的高速視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸帶寬高、輸出穩(wěn)定、觸發(fā)精準(zhǔn)、低延遲低功耗、資源占用低等特點(diǎn)。為了解決大容量數(shù)據(jù)的處理問(wèn)題，比利時(shí)的采集卡廠商Euresys推出了帶有CustomLogic功能的幾款圖像采集卡。

Coaxlink Quad CXP-12

支持4路CXP-12連接；可實(shí)現(xiàn)5GB/s 相機(jī)帶寬；PCle 3.0 x8 總線；20條數(shù)字I/O線；豐富的相機(jī)控制功能；Memento 事件記錄工具；支持CustomLogic功能。

Coaxlink OCTO

支持8路CXP-6連接；可實(shí)現(xiàn)5GB/s 相機(jī)帶寬；單張卡可連接八臺(tái)相機(jī)；PCle 3.0 x8 總線；10條數(shù)字I/O線；豐富的相機(jī)控制功能；Memento事件記錄工具；支持CustomLogic功能

CoaxLink QSFP＋

1路兼容40 Gbps QSFP+的光纖模塊輸入端口；支持5GMB/s 相機(jī)帶寬；PCle 3.0 x8；20條數(shù)字I/O線；豐富的相機(jī)控制功能；Memento 事件記錄工具；提供兩種QSFP+的配套光模塊，分別支持40公里 (單模)和150米(多模)的傳輸距離；支持CustomLogic功能。

何謂CustomLogic？

CustomLogic功能是指將圖像采集卡的FPGA資源開(kāi)放，允許用戶(hù)通過(guò)編程的方式，自行開(kāi)發(fā)需要的預(yù)處理算法并部署到采集卡上，從而節(jié)省主機(jī)的計(jì)算資源。

CustomLogic開(kāi)放FPGA編程API，用戶(hù)可以通過(guò)硬件描述語(yǔ)言編程：a. 定制圖像處理算法（顏色轉(zhuǎn)換，斑點(diǎn)分析，壓縮，激光線提取）；b. 控制I/O和數(shù)據(jù)操作（Bayer CFA轉(zhuǎn)換，平場(chǎng)校正FFC，查找表LUT）；c. 記錄定制功能事件時(shí)間戳。

Euresys采集卡的CustomLogic功能目前需要采用Vivado環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并提供了范例代碼和參考設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以插入第三方IP核。

如何實(shí)現(xiàn)CustomLogic功能？

整個(gè)CustomLogic功能的工作流程如下圖所示：

在Coaxlink FPGA內(nèi)部，所有數(shù)據(jù)流接口都基于AMDA AX14流協(xié)議。在源端，用戶(hù)邏輯接收從CXP相機(jī)獲取到的圖像，在目標(biāo)端，數(shù)據(jù)流接口將由用戶(hù)邏輯生成的結(jié)果圖像或數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇CI Express DMA后端通道，DMA傳輸系統(tǒng)可以直接將數(shù)據(jù)在外設(shè)和內(nèi)存之間進(jìn)行高速傳輸，節(jié)省CPU的占用，從而使圖像處理獲得更多計(jì)算資源。此外，多達(dá)4G的DDR4板載內(nèi)存也可以用于存儲(chǔ)中間數(shù)據(jù)和系數(shù)。

CustomLogic開(kāi)發(fā)工具為Xilinx的Vivado套件，使用的FPGA為Kintex Ultrascale XCKU035，用戶(hù)可以使用該FPGA 70%的邏輯資源。通過(guò)3613 JTAG適配器Xilinx編程器（圖中①所示）連接到Coalink FPGA進(jìn)行調(diào)試。

CustomLogic開(kāi)發(fā)框架如下圖所示：

內(nèi)置模塊：

a. 全功能CXP采集卡；b. 板載內(nèi)存接口；c. 具有DMA后端通道的PCIE接口；d. 硬件時(shí)間記錄系統(tǒng)Memento的訪問(wèn)；e. 通過(guò)驅(qū)動(dòng)API的用戶(hù)寄存器訪問(wèn)。

通過(guò)CustomLogic功能，用戶(hù)可以建立自己的Vivado開(kāi)發(fā)工程并加入自己的算法代碼，按照FPGA開(kāi)發(fā)流程，進(jìn)行調(diào)試、仿真、綜合和布線等一系列操作步驟，得到Bitstream文件，將Bitstream燒入FPGA，即可完成自定義算法的開(kāi)發(fā)。

我們的優(yōu)勢(shì)在哪？

可直接使用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行圖像處理算法和應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，采集卡核心對(duì)用戶(hù)開(kāi)放，可對(duì)數(shù)據(jù)流不受限的疊加處理算法，還可以控制數(shù)據(jù)操作和I/O控制，從而可自由地實(shí)現(xiàn)豐富的板載處理算法。

此外，Euresys提供了豐富的CustomLogic功能的參考設(shè)計(jì)：a. Pixel LUT 8-bit 8位像素查找表；b. Pixel Threshold像素閾值算法；c. Frame-to-line Converter幀抽線轉(zhuǎn)換算法；d. General Purpose I/O通用I/O控制；e. 其他常用功能。

CustomLogic軟件開(kāi)發(fā)包還提供了各采集卡不同拓?fù)湎碌慕桓秲?nèi)容和參考設(shè)計(jì)：

高速視覺(jué)系統(tǒng)蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)規(guī)模飛速增長(zhǎng)，機(jī)器學(xué)習(xí)算法需要處理的數(shù)據(jù)量大幅提高，因此CustomLogic功能起到的作用愈加重要。通過(guò)將圖像采集卡上的FPGA作為運(yùn)算資源，將CPU的部分圖像處理任務(wù)移交圖像采集卡來(lái)完成，從而減少CPU的負(fù)荷和圖像處理的壓力，強(qiáng)化圖像采集卡的預(yù)處理能力，大數(shù)據(jù)量、復(fù)雜運(yùn)算的實(shí)時(shí)處理都將變?yōu)榭赡堋?/p>