Die technologischen Fortschritte bei CMOS-Bildsensoren ermöglichen mittlerweile Multi-Megapixel-Chips mit Bildraten von Hunderten bis Tausenden von FPS zu erschwinglichen Preisen. Unternehmen wie Gpixel, Luxima Technology, Teledyne e2v, AMS/CMOSIS, Onsemi und Sony liefern die Technologie zu dieser Entwicklung.

Mittlerweile sind Multi-Kamera-Anwendungen allgegenwärtig geworden, insbesondere in den Bereichen Virtual Reality, 3D-Scanning und Broadcasting. Diese enormen Datenraten müssen in Echtzeit mit hoch­präziser Synchronisation und geringer Latenz erfasst, vorverarbeitet, analysiert und häufig komprimiert und gespeichert werden. Für die Übertragung von Sensordatenraten über 20 Gbit/s gibt es unter den standardisierten Kamera-Schnittstellen nur wenige Optionen: 25, 50 oder 100 GigE, Multi-Link CoaXPress v2 und PCIe.

Eine zusätzliche Herausforderung besteht in der Übertragung des Videostreams an den Hochleistungsprozessor des Hosts. Die Motherboard-Schnittstelle von Video­aufnahmekarten ist in der Regel vom Typ PCIe Gen. 3 x8 mit einer effektiven Bandbreite von lediglich 48 Gbit/s. Darüber hinaus müssen innerhalb des Host-Verarbeitungssystems die CPU/GPU und die RAM-Brücke zwischen der Grafikkarte und dem Hauptspeicher ausreichend schnell arbeiten, um einen Bildverlust zu vermeiden – Anforderungen, die CPU-basierte Architekturen bei weitem überfordern. Nur heterogene Verarbeitungslösungen sind ausreichend leistungsstark, wenn sie die Fähigkeiten von FPGAs, GPUs und/oder CPUs nutzen.

Gigapixel-Framegrabber mit offenem FPGA

Bei Datenraten von mehreren zehn bis zu hunderten von Gbit/s bieten mit Ausnahme teurer Asics nur High-End-FPGAs die erforderliche Verarbeitungsleistung, um die oben genannten Herausforderungen zu bewältigen. Mit fast drei Jahrzehnten Erfahrung hat das israelische Unternehmen Gidel ein Framework aus Standard-Framegrabbern und Entwicklungsumgebung zusammengestellt, das diese Problematik löst.

Die Framegrabber sind für die Erfassung von ultrahohen Bandbreiten und Multisensoren optimiert. Mit der zugehörigen Entwicklungssuite lassen sich proprietäre Bildverarbeitungsalgorithmen einfach zur vorhandenen und ebenfalls anpassbaren Bildakquise-Pipeline hinzufügen. Hierfür ist kein FPGA-Expertenwissen notwendig. Die Entwicklungssuite von Gidel beschleunigt so die Systementwicklung erheblich, ohne die Leistung des Endsystems zu beeinträchtigen.  

Mit den PCIe-Framegrabbern, -Modulen und -Trägerplatinen des Unternehmens können Entwickler von Bildverarbeitungssystemen die aktuellen Fortschritte in der FPGA-Technologie nutzen. Intel bietet hier seine FPGA-Serien Stratix 10 und Arria 10. Das Proc10N-Modul von Gidel etwa kann bis zu vier 100GigE-Kameras oder sechzehn 10GigE-Kameras mit einer exakten Synchronisation und geringer Latenz aufnehmen und verarbeiten. Mit 300 GB/s Zugriff auf den DRAM ermöglicht das Proc10N eine Echtzeitverarbeitung auch für Anwendungen mit sehr hohen Bandbreitenanforderungen.

Autor
David Yakar, Technischer Support bei Gidel