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Bildverarbeitungsrechner

Bei der Auswahl eines geeigneten PCs für eine Bildverarbeitungsanwendung müssen zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden, um sicher zustellen, dass die ausgewählte Lösung die benötigte Leistung bietet und langfristig verfügbar ist.

In diesem Kapitel befassen wir uns mit einigen Systemmerkmalen, die bei der Entscheidung für ein PC-System und der Auswahl eines Herstellers eine wichtige Rolle spielen. Bis vor einigen Jahren verfügten kompakte Embedded-Rechner noch nicht über die Leistungsfähigkeit, die ein Bildverarbeitungssystem benötigt. Das hatte zur Folge, dass PCs in der Bildverarbeitung oft aus 19"-Schränken mit Hochleistungskomponenten zusammengebaut wurden. Inzwischen stehen jedoch leistungsfähige, lüfterlose, kompakte Industrie-PCs zur Verfügung, die durch den Verzicht auf eine interne Verkabelung und bewegliche Teile den Anforderungen der industriellen Bildverarbeitung entsprechen. Sie eignen sich für raue Industrieumgebungen in einer Fabrik und bieten zudem die für die Bildverarbeitung erforderliche Rechenleistung. Wie in vielen anderen Bereichen gibt es bei PC-Systemen die unterschiedlichsten Lösungen. Hier ist zu beachten, dass es meist nicht ratsam ist, aus Kostengründen einen Standard-Büro-PC für die industrielle Bildverarbeitung einzusetzen. In jüngster Zeit gab es ein deutliches Wachstum von Plattformen für Embedded-Anwendungen in den Bereichen Netzwerk, Automotive und Mobiltelefonie, die nicht auf Intel/Windows basieren. Diese Prozessoren migrieren in den Markt der industriellen Bildverarbeitung für Anwendungen mit hohen Stückzahlen bei geringem Stromverbrauch. Es gibt inzwischen Bildverarbeitungskameras, die die vorhandene MIPI-Schnittstelle unterstützen und Anbieter von Bild verarbeitungssoftware, die ihre Software auf diese Plattformen portieren. STEMMER IMAGING trägt diesem Wandel Rechnung und bietet Supportleistungen und Softwaremodule an, um eine schnellere Markt reife zu erreichen.

Anforderungen

Die Auswahl der besten Komponenten ist für die Leistung und Langzeitstabilität eines Bildverarbeitungssystems besonders wichtig, da es typischerweise große Datenmengen ‒ hauptsächlich Kamerabilder ‒ in schneller Folge verarbeiten muss. Nicht alle PC-Systeme sind für diese Aufgaben gleich gut geeignet und Standardcomputer werden in der Regel keinen Stresstests unter kontinuierlichem Daten - durchsatz unterzogen.

Abgesehen von der Auswahl der richtigen Schnittstelle, mit der wir uns unter Bilderfassung im Detail befasst haben, sollten Sie vor der Entscheidung für einen PC folgende Fragen beantworten:

  • Wie hoch ist die maximal erforderliche Datenrate des Systems?
    • Zahl der Kameras / Bildgröße / Bildrate?
    • Erforderliche Speicherbandbreite?
  • Wie viele Bilder müssen für den sofortigen Zugriff im Speicher zur Verfügung stehen?
    • Erforderliche Speichergröße?
  • Muss das System diese Daten mit der gleichen Geschwindigkeit verarbeiten?
    • Kombination von Geschwindigkeit / Zahl der Prozessoren / Speicherbandbreite?
  • Müssen alle Daten auf Festplatte aufgezeichnet werden?
    • RAID: Festplattenkonfiguration und Datenrate?
  • Welche Hardwareredundanz ist erforderlich, um die Datenintegrität zu sichern?
    • RAID: Festplattenspiegelung, redundante Stromversorgung?
  • Ist die Software so ausgelegt, dass sie Multiprozessor- und Multicore-Systeme unterstützt?
    • Zahl der Prozessoren und der unterschiedlichen Konfigurationen?
  • Welche Zuverlässigkeitswerte (MTBF) müssen erreicht werden?
    • Betrachtung des PC-Aufbaus inklusive Verkabelung oder Solid State Disks
  • Wie sehen die Umgebungsbedingungen am Einsatzort hinsichtlich Temperatur, Vibrationen etc. aus?
  • Geplanter Produktionsstart und Lebensdauer?
    • Überalterung der Komponenten, Liefersicherheit?
  • Mechanische Faktoren?
    • Gehäusegröße und Design?
  • Umweltaspekte?
    • Bleifrei, PC-Lüfter/Filter, elektrische Störungen, EMV etc.?

Auswahl des Gehäuses

Je nach Umgebung muss ein Rechner bestimmten Anforderungen entsprechen. Wird ein System etwa im rauen, industriellen Umfeld verwendet, muss es andere Voraussetzungen erfüllen als z. B. im Reinraum. Für bestimmte Umgebungen ist auch extreme Schock- und Vibrationsfestigkeit gefragt ‒ etwa beim Einsatz in Fahrzeugen.

Andere Bildverarbeitungsapplikationen verlangen nach hoher Temperaturbeständigkeit (z.B. Verkehrsüberwachung bei Minus- und Plusgraden). Die gleichen Anforderungen werden auch an das Innenleben des Bildverarbeitungssystems gestellt.

Auswahl des Prozessors

Es stehen verschiedenste PC-Prozessorkonfigurationen in den unterschiedlichsten Leistungsstufen zur Verfügung. Im Gegensatz zu anderen Anwendungen sind für die Bildverarbeitung neben der Geschwindigkeit auch weitere Faktoren bei der Auswahl des Prozessors wichtig. Allgemein können die geeigneten Prozessoren in drei Anwendungsbereiche aufgeteilt werden:

  • Workstation: Intel Core i7/i5/i9

  • Mobil: Intel Atom & ULV Core i5 & i7

  • Server: Intel Xeon

Workstation-Prozessoren kommen in der Regel in Standardbildverarbeitungssystemen zum Einsatz, während mobile Prozessoren aufgrund ihres niedrigen Strombedarfs häufig in Embedded-Lösungen verwendet werden. Für die anspruchsvollsten Aufgaben, die mehrere Prozessoren oder hohe Datendurchsatzraten erfordern, werden oft Server-Prozessoren eingesetzt, da diese in der Regel mehr Speicherschnittstellen beinhalten und einen höheren Datenstrom ermöglichen.

Moores Gesetz lautet: Die Leistungsfähigkeit von Prozessoren verdoppelt sich alle 2 Jahre. Daher ist es nun möglich, Anwendungen, die vor fünf Jahren noch serverbasierte Lösungen erforderlich machten, mit einem lüfterlosen Kompakt-PC mit Low-Power-Prozessoren zu realisieren. Aufgrund der kurzen Innovationszyklen im Bereich von PC-Chipsätzen haben Prozessoren, die für herkömmliche Computeranwendungen benutzt werden, ebenfalls vergleichsweise kurze Lebenszyklen. Dies steht im Widerspruch zu den Anforderungen an industrielle Systeme, wie z. B. Langzeitverfügbarkeit und Support. Daher haben Hersteller wie Intel für ihre Embedded-Linien einige spezielle Prozessor-Chipsätze ausgewählt, die zu leicht erhöhten Kosten auch langfristig verfügbar sind.

Anzahl der Cores und Prozessoren

In vielen Fällen befinden sich auf einem einzelnen Mikroprozessorchip zwei oder mehr Prozessoren (Cores), die es ermöglichen, auf jedem Prozessor unterschiedliche Aufgaben oder Anwendungen auszuführen. In der Theorie wird durch Dual- Core-Prozessoren die Leistungsfähigkeit des PCs im Vergleich zu Single-Core-Rechnern verdoppelt. Dies ist jedoch nur dann für die Bildverarbeitung von Vorteil, wenn die Software Multithreading unterstützt. Mehrkernprozessoren sind eine praktische Alternative zur Verwendung von separaten Serverprozessoren wie dem Intel Xeon. In der Regel unterstützen Server- Motherboard-Designs vier Prozessorchips mit 16 und mehr Cores. Die Zahl der Cores und die verfügbare Speicherbandbreite steigen kontinuierlich an.

Vergleich typischer Leistungswerte

Angesichts der Vielzahl neuer Prozessoren und Architekturen auf dem Markt müssen zahlreiche Faktoren bei der Auswahl des richtigen Prozessors berücksichtigt werden. Das nachfolgende Diagramm soll einen schnellen Überblick über die relative Leistung der einzelnen Prozessoren ermöglichen. Es gilt jedoch immer zu beachten, dass unterschiedliche Algorithmen die Prozessoren unterschiedlich auslasten.

Diese CPU Benchmark-Werte verwenden PassMark®-Ratings. Wie bei allen Benchmarks sind die Resultate nicht umfassend, da viele Faktoren das Ergebnis beeinflussen können. Die Werte bieten aber dennoch eine gute Vergleichsmöglichkeit. Den Zuwachs in der Performance verdeutlicht folgender Vergleich: Die heute gängigen Einstiegsprozessoren auf Embedded/ATOM-Basis liefern die gleiche Rechenleistung wie ein Mittelklasse Desktop-Computer aus 2006, benötigen jedoch weniger Strom und keinen Lüfter.