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1 Vortrag zum NEMO-Anwenderforum Industrielle Bildverarbeitung am in Dresden Umsetzung leistungsfähiger Algorithmen der industriellen Bildverarbeitung in FPGAs Dr.-Ing. J. Pospiech, AVT GmbH

2 Agenda 1 Einleitung 1.1 Firma AVT 1.2 Überblick 2 Anwendungen mit FPGAs 2.1 Struktur von FPGAs 2.2 Leistungsfähigkeit von FPGAs 2.3 Systeme mit FPGAs 2.4 Besonderheiten der industriellen BV 3 Programmierung von FPGAs Programmiermethoden 3.2 Erweiterte Programmiermethoden 4 Zusammenfassung

3 Wir sind Ihr Partner für: Elektronikentwicklung FPGA-Design Intelligente Lichtsteuerung IP-Core Entwicklung Bildverarbeitung Softwareentwicklung Schulungen/Beratungen AVT GmbH Ilmenau Am Hammergrund Ilmenau Tel: +49 (0)3677 / Fax: +49 (0)3677 / info@avt-ilmenau.de Web:

4 Elektronikentwicklung t i kl mit FPGAs - Große Rechenleistung - Neuprogrammierung während des Betriebs möglich - Geringer Energieverbrauch (0,4 6 Watt) - Geringer Platzverbrauch, universeller Einsatz - System-on-reprogrammable-Chip in einem Design möglich - wiederverwendbare Funktionen (IP-Cores) - als großer Wachstumsmarkt in den USA bereits erkannt (Vorhersage: 2006: 4,5 Mrd $, 2007: 5,2 Mrd $, 2008: 6,3 Mrd $, in Deutschland 100 Mio in 5 Jahren) 12% 23% 25% 40% 2006 USA Europa Japan Asien/Welt hmen / Mio$ LINX) Nettoeinna (XIL

5 Agenda 1 Einleitung 1.1 Firma AVT 1.2 Überblick 2 Anwendungen mit FPGAs 2.1 Struktur von FPGAs 2.2 Leistungsfähigkeit von FPGAs 2.3 Systeme mit FPGAs 2.4 Besonderheiten der industriellen BV 3 Programmierung von FPGAs Programmiermethoden 3.2 Erweiterte Programmiermethoden 4 Zusammenfassung

6 2 Anwendungen mit FPGAs Quelle: XILINX

7 2.1 Struktur von FPGAs RAM-Speicher Große Fläche atomarer programmierbarer Einheiten Weitere Hardware (Multiplizierer, DCM, PPC, ) Die eines Spartan-3 FPGA Frei programmierbare Ein-/Ausgänge

8 2.1 Struktur von FPGAs FPGAs (Field Programmable Gate Arrays = frei programmierbare Schaltkreise) Die wichtigsten Vorteile von FPGAs sind: Sehr schnell für rechenintensive Anwendungen durch parallele Berechnungen kleine Abmessungen, geringer Energiebedarf und geringe thermische Beanspruchung flexibel durch beliebig oft programmierbare Logikblöcke sehr viele frei definierbare Ein- und Ausgänge (mehr als 1100) keine bzw. wenige Redesigns der Leiterplatten tt notwendig schnelle Entwicklung von Designs mit komfortablen Software-Werkzeugen verkürzen time-to-market" Integration vieler zusätzlicher Komponenten in den FPGA möglich: z.b. CPU, I/O Steuerung, RAM Steuerung, Filter, Einbindung von IP-Cores als Expertenwissen in die Anwendung (können durch ladbare Prozessoren auch Software abarbeiten)

9 2.2 Leistungsfähigkeit von FPGAs Vergleich der Leistungsfähigkeit von FPGA und DSP

10 2.2 Leistungsfähigkeit von FPGAs LX FX SX Resource Logic K LCs Memory 096Mb 0.9-6Mb DCMs 4-12 DSP Slices 32 SelectIO RocketIO PowerPC Ethernet MAC N/A N/A N/A K 140K LCs 0610Mb Mb Channels 1 or 2 Cores 2 or 4 Cores 23-55K LCs 2357Mb Mb N/A N/A N/A Quelle: XILINX

11 2.2 Leistungsfähigkeit von FPGAs Device XC3S50 XC3S200 XC3S400 XC3S1000 XC3S1500 XC3S2000 XC3S4000 XC3S5000 System Gates 50K 200K 400K 1000K 1500K 2000K 4000K 5000K Logic Cells 1,728 4,320 8,064 17,280 29,952 46,080 62,208 74,880 Dedicated Multipliers Block RAM Blocks Block RAM Bits 72K 216K 288K 432K 576K 720K 1,728K 1,872K Distributed RAM Bits 12K 30K 56K 120K 208K 320K 432K 520K DCMs I/O Standards Max Single Ended I/O Quelle: XILINX

12 2.3 Systeme mit FPGAs Framegrabber-Karten zur Videoaufnahme: -Aufnahme eines oder mehrerer Videoströme -Formatkonvertierung -Digitalisierung der analogen Videoeingänge -Vorverarbeitung der Videoströme -Unterstützung der Bildverarbeitung -Videoausgabe über PCI

13 2.3 Systeme mit FPGAs Vollständiges Videosystem mit: -CMOS-Sensor inkl. Ansteuerung -Bayer-Pattern-Interpolation -RGB zu YUV -Helligkeitsregelung mit Histogrammbewertung -Dynamische Videoanpassung (DVA) -Fenstersteuerung im Video -Referenzbildbereitstellung -Motion detection -YUV zu RGB -VGA-Ausgabe mit Bildvervielfachung (2 bis 4) -grafische Einblendungen ins VGA-Bild (Grafik, Text) -JPEG-Komprimierung -32 bit Controller -RS232-, RS485-Steuerung -Ethernetsteuerung (TCP/IP) Beispiel eines embedded Stand-alone Systems

14 2.3 Systeme mit FPGAs Beispiel eines embedded Stand-alone Systems Eigenschaften des Videosystems: -Sensorauflösung 3,1 MegaPixel -Nutzung des Windowing 1280x480 -Bildwiederholfrequenzen maximal 12 fps (3,1 MPx), 93 fps (VGA) sowie frei wählbar -eine Versorgungsspannung 7 20 VDC -Leistungsaufnahme 4 W Mögliche Erweiterungen: -GSM-Bildübertragung -Bluetooth-Bildübertragung -Datenübertragung t zusätzlicher Bildinformationen -kompatible Datenübertragung mit verschiedenen Echtzeit-Ethernetlösungen (EtherCAT, Ethernet Powerlink, ) -Datenspeicherung auf beliebige Datenträger (Flash, Festplatten, ) -Spannungsversorgung mit Power over Ethernet, Solarzellen,

15 2.4 Besonderheiten der industriellen BV In den letzten 25 Jahren stieg die Rechenleistung der uns zur Verfügung stehenden Technik um den Faktor 10 5, der Faktor der auszuwertenden Bildinformationen i stieg um den Faktor Prof. Bernd Jähne, 25 Jahre Bildverarbeitung, Fraunhofer IPA Stuttgart, 2005 Als zukünftige Notwendigkeit it wurde der breite Einsatz von intelligenten t Kameras zur Videovorverarbeitung von mehreren Rednern dieser Veranstaltung postuliert! Prinzip der industriellen Bildverarbeitung mit intelligenten Kameras Bildübertragung per USB, Ethernet, GigE neben Bildübertragung auch Bildinformationen aus rechenintensiven Verarbeitungsschritten auch mehrere Kameras an einen PC anschließbar ohne Überlastung des PC

16 2.4 Besonderheiten der industriellen BV Stand der industriellen Bildverarbeitung Sinnvolle Verbindung der Rechenleistungen Stand der intelligenten Security-Cameras

17 2.4 Besonderheiten der industriellen BV Der Markt bietet: -Leistungsfähige, preisgünstige FPGAs vorhanden -Development Kits zum Testen der Applikationen vorhanden -Hohe Flexibilität bei kleinen bis mittleren Stückzahlen -Bildverarbeiter benötigen mehr Leistung -FPGA-Spezialisten warten (teilweise) auf Anwendungen -Förderprogramme könnten bei Anschubfinanzierung i helfen Fragen: -Warum ist kein breiterer Einsatz dieser Technik zu verzeichnen? -Warum besteht für Bildverarbeiter (teilweise) ein große Hürde diese Technik einzusetzen? mögliche Antwort: - fremde Technik, unbekannte Programmierung

18 Agenda 1 Einleitung 1.1 Firma AVT 1.2 Überblick 2 Anwendungen mit FPGAs 2.1 Struktur von FPGAs 2.2 Leistungsfähigkeit von FPGAs 2.3 Systeme mit FPGAs 2.4 Besonderheiten der industriellen BV 3 Programmierung von FPGAs Programmiermethoden 3.2 Erweiterte Programmiermethoden 4 Zusammenfassung

19 3 Programmierung von FPGAs 3.1 Programmiermethoden Task Simulation frühere Hardware- Programmierung (design flow) (Schaltplan in ECS/Schematics) sehr komplex für große Designs; nicht für die Programmierung g großer FPGA s geeignet wiring diagram in Schematics netlist Implementation bit-file PROM-file Timing Simulation

20 3.1 Programmiermethoden frühere Hardware- Programmierung (design flow) (Schaltplan in ECS/Schematics) sehr komplex für große Designs; nicht für die Programmierung g großer FPGA s geeignet

21 3.1 Programmiermethoden Programmierung mit HDL (Hardware Description Language) (VHDL, Verilog) VHDL Design Entry VHDL-File Simulation sehr gute Beherrschung der HDL- Sprache notwendig für eine effektive FPGA- Programmierung Synthesis netlist Implementation bit-file PROM-file Timing Simulation

22 3.1 Programmiermethoden Programmierung mit HDL (Hardware Description Language) (VHDL, Verilog) sehr gute Beherrschung der HDL- Sprache notwendig für eine effektive FPGA- Programmierung

23 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Matlab/Simulink und System Generator - Grafische Programmierung mit Matlab/Simulink, System Generator and ISE (XILINX) Task Matlab/Simulink System Generator Simulation Functional Simulation VHDL-File sehr umfangreiche finanzielle Investition, umfangreiches Wissen über FPGA s, Matlab/ Simulink, HDL- Sprache und Programmiertools notwendig Core Generator Synthesis netlist Implementation bit-file PROM-file Timing Simulation

24 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Matlab/Simulink und System Generator - Simulation XILINX-Library Grafische Programmierung mit Matlab/ Simulink und System Generator Simulink

25 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Modulare Grafische Programmierung (MGP) - Design flow mit MGP: Applikationsingenieur muss die Aufgabe und die Realisationsidee haben Applikationsingenieur benutzt grafisches Rahmenprogramm entsprechend der Hardware Hinzufügen der für die Applikation notwendigen Funktionen als grafische Module der Toolbox (= IP-Cores) Generierung der FPGA-Programmierungs- Generierung der FPGA Programmierungs datei mit dem Implementierungstools

26 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Modulare Grafische Programmierung (MGP) - Programmierung: Einfügen der Modulsymbole zu einer Applikation Symbole der Funktionen befinden sich im Arbeitsverzeichnis in ECS/Schematic. Save Nach der Wahl der Module, werden diese ins Rahmenprogramm eingefügt Fault check Datenleitungen zwischen Modulen des Rahmen- programms können getrennt und wieder mit Modulen der vor- gefertigten Funktionen verbunden werden Fehlerüberprüfung und Speichern, Berechnen des Bit-Files

27 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Modulare Grafische Programmierung (MGP) - Die MGP-Toolbox besteht aus über 800 Modulen (IP-Cores), hauptsächlich für Videobearbeitung, digitale Signalverarbeitung und Kommunikation Modul-Funktionen sind in verschiedenen Kategorien angeordnet (mathematische Grundfunktionen, Signalgenerierung, g g, Flankenerkennung und Filter, Transformation und Kompression, Statistik, Displayfunktionen, Interfacekontrolle Bildverarbeitung und Datenmanagement) Module beinhalten zudem sehr komplexe Funktionen wie JPEG- Komprimierung, Nutzung des XILINX MicroBlaze 32 bit RISC Prozessors im FPGA, sowie Hard- und Software Module, die an den MicroBlaze Prozessor angeschlossen sind

28 Seminarangebote: 1. Einführung in die FPGA-Technik 2. Design und Verifikation von DSP-Funktionen mit XILINX-Werkzeugen 3. Modulare Grafische Programmierung (MGP) 4. Applikationserstellung mit MicroBlaze Modulen Vorteile: - schnelle Orientierung und kurze Einarbeitungszeit - Dynamischer Auswahl der Trainingstage (in 2 Blocks) - Neueste Technologie - Schulungsunterlagen - Teilnahmezertifikat

29 4 Zusammenfassung Die AVT GmbH bietet: - moderne schnelle Technik - ein hohes Maß an FPGA-Know How - hervorragende Kontakte - kostengünstige Hardware und Programmiertools - viele fertige IP-Cores als Funktionalitäten - Hilfe zur Erstellung von eigenen Funktionalitäten - direkte Nachbarschaft zu Dienstleistern (CE-LAB) Zielstellung: - gemeinsame Projekte (Förderung ist möglich) - Einstieg und Ausbau von eigenem Know How - Herstellung von Kontakten - leistungsfähige Hardwareplattformen aufbauen

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit e

31 Kontaktinformationen AVT GmbH Ilmenau Automatisierungs- und Verfahrenstechnik Am Hammergrund 1 D Ilmenau Sie erreichen uns unter: Tel: +49 (0) / Fax: +49 (0) / Web: info@avt-ilmenau.de Ansprechpartner: Dr.-Ing. Jörg Pospiech Geschäftsführer, Entwicklungsleiter Herr Kai Frieße Herr Wilfried Geyer Projektleiter Lichtsteuerung Konstruktion

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