Расчёт времени отклика системы технического зрения на базе смарт камеры Fastvideo-250BF

Возможность применения скоростных смарт-камер в системах технического зрения обуславливается, прежде всего, задачей, которую необходимо решить. Есть множество факторов, которые нужно учесть, чтобы дать ответ на вроде бы простой вопрос: подходит ли смарт-камера для решения конкретной задачи. Ниже мы рассмотрим варианты применения скоростных смарт-камер в системах технического зрения при условии работы при максимальном разрешении 640 х 480 и на частоте 250 Гц.

Режим одиночных кадров

В режиме одиночных кадров экспозиция начинается сразу после получения внешнего синхроимпульса. Следующий кадр будет экспонироваться при получении очередного синхроимпульса. Последовательность действий при реализации этого сценария такова:

• Камера получает внешний сигнал синхронизации (экспозиция после сброса начинается примерно через 0,5 мкс) и начинает съёмку. Время от получения внешнего синхросигнала до выдачи сигнала сброса (от фронта входного сигнала, до фронта выходного) составляет примерно 90 нс.
• В течение 4 мс происходит экспозиция кадра.
• В течение следующих 4 мс происходит считывание данных, оцифровка, пересылка в память процессора и предварительная обработка (вычитание FPN).
• Решение задачи распознавания (зависит от алгоритма).
• Формирование выходного цифрового сигнала (логический 0 или 1) в соответствии с результатом распознавания (запаздывание от момента завершения расчёта до фронта выходного сигнала 20 нс).
• Время выполнения некоторого действия исполнительным устройством, которое получило сигнал от смарт-камеры (в данном контексте пока рассматривать не будем).
• Пересылка данных во внешнюю сеть (при необходимости) может осуществляться синхронно, что не приведёт к увеличению времени отклика системы.
• Теперь смарт-камера готова к обработке следующего кадра.

Из анализа этого сценария получается, что если задача распознавания решается за 4 мс, то минимальное время реакции системы составит не менее 12 мс, что соответствует эффективной частоте сканирования 83 Гц. Если алгоритм обработки данных будет "потяжелее", то вполне возможно уменьшение этого значения, что, тем не менее, вовсе не подвергает сомнению использование именно скоростной смарт-камеры для такой задачи. Если предположить, что время выполнения алгоритма обработки составляет 20 мс, то для скоростной смарт-камеры получим полное время 8+20=28 мс, т.е. эффективная частота будет равна 35 Гц. Если же мы возьмём камеру со стандартным видео сенсором (частота 25 Гц при аналогичном разрешении) и сравнимым по производительности встроенным процессором, то общее время решения задачи будет примерно 100 мс (40 мс - экспозиция, 40 мс - оцифровка данных и передача в SDRAM, 20 мс - выполнение алгоритма распознавания), а эффективная частота будет равна 10 Гц. Т.е. получается, что при увеличении сложности алгоритма распознавания разница между скоростным видео сенсором и не скоростным немного уменьшается, но не исчезает. Отсюда получаем такую оптимистичную оценку времени реакции системы технического зрения при использовании данной смарт-камеры: 8 мс (экспозиция, считывание, оцифровка и предварительная обработка) плюс время выполнения алгоритма распознавания - итого не более 125 Гц. Значение эффективной частоты 125 Гц ниже частоты сканирования смарт-камеры 250 Гц, но это и есть плата за онлайн обработку в режиме одиночных кадров. Если бы задача состояла лишь в регистрации данных от камеры, то тогда мы бы получили 250 Гц.

Значительное преимущество скоростных смарт-камер можно получить в задачах, где требуется сканировать не весь кадр, а лишь его часть. Так можно повысить частоту сканирования и при этом уменьшить время распознавания, поскольку размер кадра станет меньше.

Если небходима пересылка по GigE исходных или обработанных данных в компьютер, то расчёт следующий: при работе с UDP пакетами формирование заголовка происходит только один раз. Поэтому латентность канала связи (в конкретном случае это время от начала передачи данных из BlackFin до начала передачи в сеть) зависит от скорости передачи данных BF561->AX88180 и составляет (для передачи 1,5 строк) – 11,9 мкс (11,1 мкс – передача данных в MAC, 800 нс – расчёт CRC MAC’ом). Передача пакета непосредственно в сеть – 10 мкс. Производительность встроенного процессора BlackFin смарт-камеры такова, что при отключенном алгоритме распознавания можно в онлайне передавать через сеть все полученные кадры (при этом частота кадров 250 Гц, разрешение 640 х 480).

Возможные режимы работы смарт-камеры

• Непрерывное получение данных и их передача в компьютер по гигабитному интерфейсу.
• Работа в режиме получения и обработки одиночных кадров.
• Работа в режиме получения и обработки серий кадров.
• Комбинированный вариант: отправка необработанных данных на компьютер с выборочным анализом отдельных кадров.

В самом общем случае нужно рассматривать задачу распределения вычислительных задач между компьютером (который обычно является конечным получателем видео данных) и смарт-камерой.