Komputery modułowe dla przemysłowych systemów wizyjnych wykorzystujących sztuczną inteligencję

| Gospodarka

Przetwarzanie wizyjne i sztuczna inteligencja są obecnie - obok Przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), Przemysłu 4.0 i wirtualnych fabryk - głównymi trendami w przemyśle. Technologie komputerów wbudowanych przeznaczonych dla takich systemów muszą spełniać coraz bardziej złożone wymagania. To co dziś jest wystarczająco dobre, jutro może być za słabe – głównie w kontekście wydajności procesorów, rdzeni, maszyn wirtualnych lub też w kontekście ilości interfejsów dostępnych na płycie. Dzięki swojej wysokiej skalowalności, komputery modułowe mogą zapewnić wymaganą elastyczność oraz - jako elementy konwergentne - są również odpowiednie do zastosowania w ciągle rozwijających się systemach automatyki.

Komputery modułowe dla przemysłowych systemów wizyjnych wykorzystujących sztuczną inteligencję

Przyszłość rynku rozwiązań systemów przetwarzania wizyjnego z wykorzystaniem sztucznej inteligencji wydaje się bardzo optymistyczna, patrząc na obecne trendy w tym sektorze, który ma przed sobą znakomite perspektywy - czyli rynek kamer dla pojazdów autonomicznych. Wzrost na poziomie 140%i jest znacząco większy niż wzrost dla rynku pojazdów autonomicznych, który rośnie o około 40%ii. Dlatego też, można bezpiecznie założyć, że w każdym pojeździe będzie instalowane ponad 3 razy więcej kamer niż dotychczas. Jeżeli koszt jednostkowy kamery spadnie, ta ilość będzie nawet większa. Jednakże, to co nie ulegnie zmniejszeniu to ilość danych obrazów do przetworzenia. Przeciwnie - ta ilość zwiększy się znacząco z powodu większej ilości kamer i wyższych rozdzielczości obrazów - przełoży się to na bezpieczniejszą świadomość sytuacyjną. Oprócz podsystemów do wstępnego przetwarzania danych, coraz częściej do rozpoznawania obrazów wykorzystuje się wbudowane rdzenie obliczeniowe i ich moduły GPGPU. Ten trend dotyczy także przemysłowych pojazdów autonomicznych, jak również współpracujących lub kooperacyjnych robotów stacjonarnych i wszystkich innych przemysłowych systemów wizyjnych. Dlaczego?

Jak sektor komercyjny wpływa na przemysł

Według Yole Développement, rynek kamer dla przemysłowych systemów wizyjnych z prognozowaną sprzedażą na poziomie 1,4 miliarda dolarów w 2023 roku, będzie o ponad 50% większy niż rynek kamer dla autonomicznych, zrobotyzowanych pojazdów, którego wartość jest szacowana na około 900 milionów dolarów. Jednakże, silny wzrost przychodów z obecnych 5 milionów dolarów dla rynku kamer stosowanych w autonomicznych, zrobotyzowanych pojazdach będzie miał również wpływ na rynek rozwiązań dla przemysłowych systemów wizyjnych. Wynika to z faktu, że sztuczna inteligencja ma krytyczne znaczenie dla rynku pojazdów i doświadczenie zdobyte na tym rynku może zostać łatwo przeniesione na rynek robotów przemysłowych. Dlatego też oba obszary zastosowań, które wspólnie tworzą dużą część całego rynku rozwiązań wizyjnych, będą się rozwijały bardzo dynamicznie. Wysoce dynamiczne rynki wymagają wysoce skalowalnych technologii komputerów wbudowanych. Ta zależność jest nazywana "ciągłym rozwojem w oparciu o uzupełniające platformy sprzętowe". Celem jest implementacja kolejnych optymalizacji z wykorzystaniem coraz nowszych rozwiązań w oparciu o dużą ilość danych generowanych przez dołączone systemy Przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) i analizowanych przez rozwiązania typu "cyfrowe bliźniaki" ("digital twins").

 
Rys. 1. Rynek autonomicznych pojazdów zrobotyzowanych gwałtownie rośnie i dzięki wbudowanej sztucznej inteligencji będzie miał wpływ na przemysłowe systemy wizyjne

Skalowalna wydajność dla dynamicznego środowiska

Komputery modułowe są doskonałym rozwiązaniem w przypadku konieczności skalowania wbudowanych rdzeni obliczeniowych. Komputery modułowe są standaryzowane, dostarczane w wielu różnych standardach, takich jak np. COM Express, SMARC 2.0 i Qseven. Mogą również obsługiwać niezwykle szeroki zakres procesorów o różnych klasach wydajności. Najbardziej wydajne komputery modułowe są zbudowane w oparciu o standard COM Express. Są one dostępne z procesorami Intel Core i Xeon, jak również AMD Ryzen i EPYC. W komputerach tych można zastosować zarówno procesory AMD G-Series, jak również słabsze procesory takie jak Intel Pentium, Celeron lub Atom. Komputery modułowe w standardach SMARC 2.0 i Qseven są stosowane w zastosowaniach, w których wystarczy mniejsza moc obliczeniowa. Rozwiązania te charakteryzują się znacznie mniejszymi rozmiarami. Obecnie dostępne konfiguracje obejmują takie procesory jak Intel Atom i Celeron, jak również procesory AMG G-Series i najnowsze procesory NXP i.MX 8, charakteryzujące się niezwykle niską wartością parametru TDP (ang. Thermal Design Power) na poziomie 3W w trakcie normalnej pracy. Produkty tej klasy zostały opracowane pod kątem rozwiązań wbudowanych stosowanych w pojazdach.

Wiele możliwości wyboru

Firma congatec oferuje np. dwa nowe procesory firmy NXP serii i.MX 8 dostępne w komputerach modułowych w standardach SMARC 2.0 i Qseven. Oba te produkty są przeznaczone dla przemysłu samochodowego, jednakże bez problemu mogą znaleźć zastosowanie w wielu rozwiązaniach z zakresu automatyki przemysłowej. Procesor NXP i.MX 8 QuadMax natywnie obsługuje 2 interfejsy MIPI-CSI. Dzięki dostępności OpenVX (vision) jest idealnym rozwiązaniem dla zastosowań w zakresie przetwarzania obrazu. Zapewnienie obsługi Open CL umożliwia wykorzystanie rdzenia obsługi grafiki do przetwarzania równoległego. Z drugiej zaś strony, i.MX 8X jest również optymalizowany pod kątem zastosowania w energooszczędnych systemach z ograniczoną listą dostępnych funkcjonalności. Obie wersje są dostarczane w postaci modułów w standardzie SMARC 2.0.

Procesory Intel Atom, Celeron i Pentium również są dostępne w postaci modułów SMARC 2.0. Mogą one również zostać przygotowane w taki sposób, aby miały bezpośredni dostęp do interfejsów MIPI-CSI - takie rozwiązanie zastosowano w pierwszym zestawie MIPI-CSI 2 Smart Camera Kit firmy congatec przeznaczonym do zastosowania w systemach wizyjnych. Jest to gotowy do użycia zestaw służący do oceny i wdrożenia mechanizmów analitycznych bazujących na wzmocnionych, inteligentnych kamerach dołączonych do 2 interfejsów MIPI-CSI i instalowanych w agresywnych środowiskach przemysłowych, na wolnym powietrzu lub w pojazdach. Projektanci korzystają z zalet rozwiązania klasy przemysłowej, które może zostać wdrożone natychmiastowo i jest dostępne w postaci inteligentnej platformy MIPI-CSI. Zbudowany ze zwykłych elementów dostępnych w sprzedaży, nowy zestaw upraszcza proces konstruowania i skraca czas wprowadzenia na rynek rozwiązań analitycznych bazujących na inteligentnych kamerach, przeznaczonych dla urządzeń końcowych Przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT). Dzięki zastosowaniu standardu SMARC 2.0 projektanci mogą z łatwością sprawdzić, który procesor jest optymalny dla opracowywanego rozwiązania.

 
Rys. 2. Wiele możliwości wyboru - dwa interfejsy MIPI-CSI obsługiwane natywnie przez procesor mogą zostać zaimplementowane w modułach zbudowanych zarówno w oparciu o procesory Intel Atom, jak i NXP i.MX 8
 
Rys. 3. Komputery modułowe, takie jak SMARC i Qseven, są znakomitym rozwiązaniem dla ciągle rozwijających się rozwiązań wykorzystujących konwergentne rdzenie obliczeniowe - wynika to z ich wysokiej skalowalności niezależnej od architektury.

Kompleksowe usługi przyspieszają proces projektowania i ograniczają koszty

Zaletą wspomnianych wszystkich komputerów modułowych jest nie tylko fakt, że z założenia są one gotowe do użycia. Dla tych produktów dostępnych jest wiele usług dodatkowych świadczonych przez firmę congatec. Usługi te znakomicie ograniczają złożoność procesu integracji, skracając czas projektowania, co znacząco skraca czas wprowadzenia produktu na rynek. Główne filary usług Premium świadczonych przez firmę congatec to dedykowane wsparcie dla każdej implementacji produktu w modelu OEM, jak również możliwość indywidualnego wyboru następnego poziomu wsparcia w Centrum Rozwiązań Technicznych (Technical Solutions Center). Zespół specjalistów zapewnia wsparcie dla wszystkich obszarów, dla których klient może potrzebować wsparcia - począwszy od zdefiniowania wymagań i konfiguracji boot-loadera z rozszerzonym zakresem wsparcia dla systemu operacyjnego, skończywszy na usługach związanych z procesami znajdowania błędów i walidacji gotowego produktu. Usługi wsparcia świadczone przez firmę congatec charakteryzują się wysoką jakością i osobistym zaangażowaniem personelu, co upraszcza i ułatwia implementację technologii komputerów wbudowanych. Klienci zyskują dzięki szybkiemu i efektywnemu procesowi projektowania - należy pamiętać, że "włącz & używaj" jest znacznie bardziej wydajne i efektywne kosztowo niż "spróbuj & znajdź błąd".

Intel Atom

Nowsze jest często lepsze. To czy dla danego rozwiązania projektanci wolą użyć procesora i.MX 8 od NXP - oferowanego przez firmę congatec w formie modułu SMARC 2.0 czy też jednak wolą użyć procesora Intel Atom, jest zależne od wielu czynników. To, co jest ważne to fakt, że rozwiązania zbudowane w oparciu o SMARC 2.0 są elastyczne. Nowe komputery modułowe conga-SMX8 z procesorem NXP i.MX 8 są dostępne nawet w konfiguracji z 8 rdzeniami (QuadMax - 2x A72 + 4x A53 + 2x M4F), mogą zostać wyposażone nawet w 8 GB pamięci LPDDR4 MLC lub pseudo-pamięć SLC plus do 64 GB nieulotnej pamięci zainstalowanej na płycie. Wyjątkowo rozbudowany zestaw interfejsów obejmuje 2x GbE – opcjonalnie również z IEEE1588 (precyzyjna synchronizacja zegara), nawet 6 złącz USB, łącznie z 1x USB 3.1, 2x PCIe Gen 3.0, 1x SATA 3.0, 2x CAN bus, 4x UART i opcjonalny, wbudowany w płytę moduł Wi-Fi/Bluetooth z Wi-Fi 802.11 b/g/n i BLE. Dostępne złącze HDMI 2.0 z HDCP 2.2, oraz 2x LVDS i 1x eDP 1.4 umożliwiają dołączenie nawet trzech urządzeń wyświetlających. Dodatkowo, te komputery modułowe obsługują dwa wejścia MIPI-CSI, co umożliwia dołączenie dwóch kamer video. Nowe komputery modułowe NXP i.MX 8 SMARC 2.0 są dostarczane jako gotowe do użycia elementy, łącznie z mechanizmami do bootowania i kompletnymi pakietami do obsługi płyt w systemach Linux, Yocto i Android.

i http://www.eenewsanalog.com/news/machine-vision-market-12-cagr

ii http://www.icrowdde.com/2018/06/26/globale-autonomen-fahrzeug-markt-voraussichtlich-1268-milliarden-bis-2027/

źródło: congatec