فریم‌ گرابر باسلر: پل طلایی بین دوربین‌های سریع‌سرعت و پردازش تصویر

در حوزه بینایی ماشین، فریم‌ گرابر باسلر به‌عنوان پل حیاتی بین دوربین‌های سریع‌سرعت و کامپیوترهای میزبان عمل می‌کنند. آن‌ها جریان داده خام را از دوربین‌ها—از طریق رابط‌هایی مانند Camera Link یا CoaXPress—دریافت، به بافرهای حافظه استاندارد تبدیل کرده و در اختیار نرم‌افزار پردازش تصویر قرار می‌دهند. بدون یک فریم‌گرابر قدرتمند، کاربران با افت فریم، تأخیر و مشکلات هم‌زمان‌سازی مواجه می‌شوند که می‌تواند فرآیندهای بازرسی، رباتیک و تصویربرداری علمی را مختل کند. شرکت باسلر، به‌عنوان یکی از پیشگامان تولید سخت‌افزار و نرم‌افزار دوربین‌های صنعتی، راه‌حل‌های فریم‌گرابر از مدل‌های قدیمی تا پیشرفته را ارائه می‌دهد تا نیازهای متنوع کاربران را پوشش دهد.

مجموعه فریم‌گرابرهای باسلر: از مدل‌های قدیمی تا CoaXPress 2.0

مجموعه فریم‌ گرابرهای باسلر مدل‌های قدیمی با پشتیبانی Camera Link را تا کارت‌های پیشرفته CoaXPress 2.0 شامل می‌شود. SDK اختصاصی آن‌ها برای فعال‌سازی، پیکربندی و برنامه‌نویسی کارت‌های سری microEnable (مثل microEnable 5 marathon) با رابط‌های Camera Link یا CXP‑6 طراحی شده است؛ اما باسلر برای نصب‌های جدید، کارت‌های CoaXPress 2.0 را به دلیل پهنای‌باند بالا و ویژگی‌های پیشرفته توصیه می‌کند. کارت‌های CoaXPress 2.0 شامل موارد زیر هستند:

• imaWorx CXP‑12 Quad: کارت PCIe Gen3×8 با چهار پورت CXP‑12 که تا 50 Gbps پهنای‌باند تجمعی و توان PoCXP (Power over CoaXPress) برای تأمین برق دوربین‌ها از طریق کابل‌های کواکسیال را ارائه می‌دهد.

• imaFlex CXP‑12 Quad: کارت چهارکاناله CXP‑12 با FPGA قابل برنامه‌ریزی Xilinx UltraScale+ KU3P برای پیش‌پردازش دلخواه تصویر، کنترل تریگر و هم‌زمان‌سازی، و مجهز به 1.5 GB حافظه DDR4 برای بافرینگ و دریافت چندفریمی.

این کارت‌ها مطابق استاندارد CoaXPress 2.0 بوده و با دوربین‌های Basler boost و ace 2 که از حسگرهای CMOS سریع‌سرعت Sony Pregius و غیره بهره می‌برند، سازگارند.

اکوسیستم نرم‌افزاری: Framegrabber SDK در مقابل pylon Software Suite

باسلر دو پلتفرم نرم‌افزاری اصلی برای ادغام فریم‌گرابر ارائه می‌دهد:

1. Framegrabber SDK: برای کارت‌های قدیمی (microEnable، imaWorx CXP‑6) طراحی شده و APIهایی برای فعال‌سازی، پیکربندی و برنامه‌نویسی فراهم می‌کند. اگرچه از کارت‌های CXP 2.0 نیز پشتیبانی می‌کند، باسلر استفاده از pylon را برای دسترسی کامل به امکانات CXP‑12 توصیه می‌کند.

2. pylon Software Suite: SDK یکپارچه برای تمامی سخت‌افزارهای باسلر—دوربین‌ها و فریم‌گرابرها. pylon APIهایی در زبان‌های C، C++، .NET، Python و LabVIEW ارائه می‌دهد و ابزارهایی مانند pylon Viewer و gpioTool را شامل می‌شود. تولیدکننده GenTL در pylon جزئیات سخت‌افزار را انتزاع کرده و به توسعه‌دهندگان امکان می‌دهد کد مستقل از لایه انتقال بنویسند.

طراحی مدولار pylon به کاربران اجازه می‌دهد پارامترهای اکتساب، ROI، حالت‌های تریگر و محدودیت پهنای‌باند را هم از طریق کد و هم از طریق رابط گرافیکی تنظیم کنند و این موضوع پیاده‌سازی سریع در محیط‌های نمونه‌سازی و تولید را ساده می‌کند.

ویژگی‌های سخت‌افزاری و مشخصات فنی

کارت‌های مدرن CoaXPress باسلر با ویژگی‌های کلیدی زیر متمایز می‌شوند:

• پهنای‌باند بالا: تا 12.5 Gbps در هر پورت؛ با تجمیع پورت‌ها (مثلاً 4×12.5 Gbps = 50 Gbps) امکان دریافت چند گیگاپیکسل بر ثانیه فراهم می‌شود.

• FPGA داخلی (فقط در imaFlex): منطق قابل برنامه‌ریزی برای پردازش خطی تصویر، بازرسی بسته‌ها و منطق تریگر که بار پردازشی CPU را کاهش می‌دهد و تأخیر را کمینه می‌کند.

• حافظه بافر: حداکثر 1.5 GB حافظه داخلی که امکان مدیریت انفجارهای داده و بازیابی فریم‌های از دست‌رفته را فراهم می‌کند—مهم برای جریان‌های داده نامنظم یا ترافیک شبکه.

• Power‑over‑CoaXPress (PoCXP): تأمین برق دوربین از طریق همان کابل کواکسیال داده، مناسب برای نصب‌های گسترده.

• ورودی/خروجی تریگر و هم‌زمان‌سازی: خطوط TTL ایزوله‌شده نوری متعدد برای هم‌زمان‌سازی دقیق چنددوربینه، تریگر ROI و ورودی‌های انکودر.

این قابلیت‌ها، فریم‌گرابرهای باسلر را برای بازرسی سریع، تحلیل حرکت و تصویربرداری چنددوربینه سه‌بعدی ایده‌آل می‌سازد.

پیکربندی فریم‌گرابر باسلر با pylon

برای شروع کار با فریم‌گرابرهای باسلر در pylon، سه گام اصلی وجود دارد:

1. نصب سخت‌افزار: کارت PCIe را در اسلات مناسب (x8 یا x16) قرار دهید، کابل‌های CoaXPress را به دوربین‌ها وصل کرده و در صورت نیاز PoCXP را فعال کنید.

2. نصب درایور و SDK: آخرین نسخه pylon را از وب‌سایت باسلر نصب کنید که شامل تولیدکننده GenTL، فایل‌های درایور دوربین و ابزارهای GUI است. اطمینان حاصل کنید درایورهای سیستم‌عامل برای کارت بارگذاری شده‌اند (در ویندوز از Device Manager و در لینوکس از lspci).

3. پیکربندی در pylon Viewer یا API:

   • در pylon Viewer، فریم‌گرابر را در بخش “Transport Layers” انتخاب کرده و پارامترهایی چون اندازه بسته، تایم‌اوت‌ها و نگاشت پین‌های I/O را تنظیم کنید.

   • برنامه‌نویسی با استفاده از کلاس‌های CGrabResultPtr و Device برای باز کردن لایه انتقال، تنظیم PayloadSize، PacketSize، MaxTimeouts و نگاشت پین‌ها برای تریگر یا سیگنال‌های انکودر.

pylon API همچنین Appletهای اکتساب را برای کارت‌های imaWorx ارائه می‌دهد که گردش‌کارهای رایج—گرفتن فریم‌های پیوسته، اکتساب انفجاری و هم‌زمان‌سازی چنددوربینه—را نشان می‌دهند.

بهینه‌سازی عملکرد و نکات کاربردی

برای دستیابی به فریم‌ریت بهینه و کمترین تأخیر، به معماری سیستم دقت کنید:

• انتخاب اسلات PCIe: از اسلات‌های PCIe Gen3×8 برای اشباع پهنای‌باند کارت استفاده کنید. از به‌اشتراک‌گذاری خطوط با GPU یا دستگاه‌های پر‌ترافیک دیگر خودداری کنید.

• توان پردازشی CPU و حافظه: پردازنده‌های با هسته‌های زیاد و حافظه DDR4 سریع به همراه پشتیبانی از صفحات بزرگ، تحویل تصویر در زمان واقعی را پشتیبانی می‌کنند.

• تنظیمات سیستم‌عامل: در ویندوز، صرفه‌جویی انرژی در دستگاه‌های PCIe را غیرفعال، Affinity وقفه‌ها را تنظیم و IRPStackSize را افزایش دهید. در لینوکس، تنظیمات DMA و NUMA در درایور NIC را بررسی کنید.

• کیفیت کابل و کانکتورها: از کابل‌های کواکسیال شیلد‌شده با استاندارد CXP‑12 و طول تا 150 متر استفاده کنید تا افت سیگنال به حداقل برسد.

• استفاده از FPGA: از FPGA کارت imaFlex برای پیش‌پردازش تصویر (مانند binning و انتخاب ROI) استفاده کنید تا حجم داده کاهش یابد وقتی جریان تمام‌رزولوشن لازم نیست.

رعایت این نکات از مشکلات رایج مانند سرریز بافر، افت فریم و اشکالات هم‌زمان‌سازی جلوگیری می‌کند.

کاربردهای متداول در صنایع مختلف

فریم‌گرابرهای باسلر در صنایع متنوع به کار می‌روند:

• خودروسازی: بازرسی سریع درزهای جوش، عیوب رنگ و تراز قطعات با دوربین‌های خط‌اسکن و سطح‌اسکن.

• داروسازی و بسته‌بندی: تأیید برچسب، تشخیص سطح پرشدگی و خواندن بارکد در سرعت‌های بالای خط.

• نظارت ترافیک: مجموعه دوربینه برای تشخیص پلاک و رده‌بندی خودروها با هم‌زمان‌سازی از طریق I/O تریگر.

• تصویربرداری علمی: میکروسکوپ با اکتساب انفجاری برای مطالعات زمان‌گذشته و بازسازی ابر‌رزولوشن.

• رباتیک و اتوماسیون: بینایی استریو سه‌بعدی و برنامه‌های برداشتن قطعات از مخزن، جایی که دقت زیرپیکسلی و تأخیر کم حیاتی است.

با توجه به پشتیبانی CoaXPress از کابل‌های بلند، سیستم‌ها می‌توانند چندین دوربین را در سوله‌های کارخانه یا محیط‌های باز بدون استفاده از تکرارگر سیگنال نصب کنند.

ادغام با ابزارها و اکوسیستم‌های ثالث

اگرچه SDK pylon اکثر نیازها را پوشش می‌دهد، کاربران اغلب فریم‌گرابر را در اکوسیستم‌های بزرگ‌تر ادغام می‌کنند:

• MATLAB & Simulink: از طریق GenTL، فریم‌گرابرها به‌عنوان دستگاه‌های اکتساب استاندارد در Image Acquisition Toolbox ظاهر می‌شوند.

• OpenCV & Python: کتابخانه pypylon عملکرد pylon را در Python فراهم می‌کند و نمونه‌سازی سریع و ادغام با AI/ML را امکان‌پذیر می‌سازد.

• LabVIEW: VIهای NI از رابط GenTL برای ادغام فریم‌گرابرهای باسلر در کنار ماژول‌های DAQ و FPGA شرکت National Instruments استفاده می‌کنند.

• طراحی‌های سفارشی FPGA: منطق قابل برنامه‌ریزی imaFlex می‌تواند هسته‌های پردازش تصویر سفارشی، تشخیص لبه یا فشرده‌سازی JPEG را قبل از انتقال به میزبان اجرا کند.

این ادغام‌ها امکان استفاده از راه‌حل‌های باسلر را در ایستگاه‌های تست خودکار، خطوط تحلیلی داده و سیستم‌های بازرسی مبتنی بر هوش مصنوعی فراهم می‌آورد.

چالش‌های رایج و نکات عیب‌یابی

با وجود سخت‌افزار و نرم‌افزار قدرتمند، کاربران گاه با مشکلات زیر مواجه می‌شوند:

• افت فریم / تایم‌اوت‌ها: اغلب به دلیل پهنای‌باند ناکافی PCIe، تنظیمات صرفه‌جویی انرژی OS یا تداخل درایورها. پیکربندی اسلات را بررسی و ویژگی‌های صرفه‌جویی انرژی را غیرفعال کنید.

• ناسازگاری تریگر: قطبیت منطق و فیلتر ورودی را بررسی کنید؛ از gpioTool در pylon Viewer برای اعتبارسنجی سیگنال‌های I/O استفاده کنید.

• شناسایی نشدن دوربین: در سیستم‌های چندتأمین‌کننده، تداخل تولیدکننده‌های GenTL می‌تواند مانع شمارش دوربین‌ها شود. اطمینان حاصل کنید تنها یک DLL تولیدکننده GenTL در مسیر قرار دارد و فریم‌ویر دوربین و فریم‌گرابر به‌روز است.

• خطاهای برنامه‌ریزی FPGA (imaFlex): عدم تطابق بین بیت‌استریم و نسخه SDK می‌تواند باعث رفتار غیرمنتظره شود. همواره از بیت‌استریم Vivado ارائه‌شده توسط باسلر استفاده کنید.

• تأخیر بالا: ممکن است به‌دلیل استفاده از بسته‌های بزرگ یا رقابت پردازشی CPU باشد. با مقادیر کوچکتر PacketSize آزمایش کنید و رشته‌های اکتساب را به هسته‌های اختصاصی واگذار کنید.

با بررسی سیستماتیک سخت‌افزار، درایور و پیکربندی نرم‌افزار، بیشتر مشکلات در عرض چند ساعت حل می‌شوند.

روندهای آتی: فراتر از CoaXPress

در حالی که CoaXPress 2.0 در حال حاضر پهنای‌باند تک‌کابل پیشرو را ارائه می‌دهد، صنعت بینایی در حال تحول است:

• 10 GigE Vision: استفاده از Ethernet 10 Gb برای جریان‌های بدون فشرده‌سازی روی زیرساخت‌های شبکه استاندارد.

• USB4 و Thunderbolt: پتانسیل انتقال‌های با پهنای‌باند بالا و تأخیر کم که با سخت‌افزار مصرفی ادغام می‌شوند.

• PoE چند‌گیگ: تأمین برق از طریق Ethernet با سرعت‌های متوسط تا 2.5 Gbps.

• محاسبات لبه (Edge Computing): ادغام شتاب‌دهنده‌های AI و FPGA روی خود فریم‌گرابر برای استنتاج در زمان واقعی در لبه شبکه.

پورت‌های برنامه‌پذیر باسلر و معماری مدولار pylon، فریم‌گرابرهای آن‌ها را برای پشتیبانی از این استانداردهای در حال ظهور آماده می‌کند و طول عمر سرمایه‌گذاری کاربران را تضمین می‌نماید.

نتیجه‌گیری

فریم‌گرابرهای باسلر—از پشتیبانی Camera Link قدیمی تا کارت‌های پیشرفته CoaXPress 2.0 چهارکاناله—پهنای‌باند، انعطاف‌پذیری و اکوسیستم نرم‌افزاری لازم برای کاربردهای چالش‌برانگیز بینایی ماشین را فراهم می‌آورند. با ترکیب SDK یکپارچه pylon و ویژگی‌هایی چون PoCXP، FPGA داخلی و I/O گسترده، باسلر راه‌کارهای آماده‌ای در صنایع خودروسازی، داروسازی، نظارت ترافیک و تصویربرداری علمی ارائه می‌دهد. با طراحی دقیق سیستم—شامل پیکربندی بهینه PCIe، تنظیم میزبان و استفاده از FPGA—کاربران می‌توانند اکتساب با‌ توان بالا و تأخیر کم را به شکلی توأمان تضمین کنند. با گسترش استانداردهای بینایی به Ethernet پر‌سرعت، USB4 و محاسبات لبه، فریم‌گرابرهای برنامه‌پذیر باسلر برای پاسخگویی به نیازهای آینده بینایی ماشین آماده خواهند بود.