DE19718410A1 - Multi-processor system optimisation method - Google Patents
Multi-processor system optimisation methodInfo
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- G06T1/00—General purpose image data processing
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Abstract
Description
Bei der Qualitätskontrolle mit einer Bildverarbeitung ergibt sich oft das Problem, daß zur Bewältigung der notwendigen Rechenleistung mehrere Prozessoren benötigt werden, da der eingehende Datenstrom einen einzelnen Prozessor überlastet. Gleichzeitig besteht eine Anlage oft aus mehreren nebeneinander angeordneten Signal- oder Objekt-Aufnehmern, wie Kameras, Mikrophone, Spannungsabtaster, um die notwendige Auflösung und Abtastbreite zu realisieren. Die Verarbeitungsleistung eines Prozessors ist dabei in der Regel nicht auf die zu liefernde Datenmenge einer einzelnen Kamera abgestimmt.When quality control with image processing results there is often the problem that to cope with the necessary Computing power multiple processors are required because of the incoming data stream overloaded a single processor. At the same time, a system often consists of several side by side arranged signal or object sensors, such as cameras, Microphones, voltage scanners to the necessary resolution and Realize scanning width. The processing power of a Processor is usually not on the one to be delivered Data volume of a single camera matched.
Bisher wird - im Stand der Technik - in der Bildverarbeitung ein Aufbau gem. Fig. 2a und 2b für Qualitätskontrollsysteme verwendet. Eine oder mehrere Sensorquellen (hier Kameras) versorgen einen Prozessor(knoten) mit Daten. Bei sehr langsamen Datenströmen können auch die Daten mehrerer Sensorquellen (Aufnehmer) vollständig von einem Prozessor verarbeitet werden. Die Rechenleistung des Prozessors wird dabei so ausgelegt, daß er die Daten aller angeschlossenen Sensorquellen verarbeiten kann. Die verrechenbare Datenmenge des Prozessors muß größer oder gleich der von den Sensoren gelieferten Datenmenge sein. Da aber heutige Kameras ähnliche oder größere Datenmengen liefern können, als der Prozessor verarbeiten kann, behilft man sich damit, daß nach der Kamera eine hardwaremäßig realisierte Vorverarbeitung eingefügt wird, die die Datenmenge durch geeigneten Datenverlust auf die Rechenleistung des Prozessors reduziert. Der erlaubte Datenverlust in der Vorverarbeitung ist aber immer von der verwendeten Auswertung abhängig, so daß bei einer Änderung der Auswerteverfahren auch eine neue Hardware-Vor verarbeitung realisiert werden muß. Eine Software-Para metrierung und eine schnelle Änderung des Verarbeitungs-Algo rithmus ist durch die angepaßte erforderliche Hardware-Vor verarbeitung unmöglich.So far - in the state of the art - a structure in image processing according to 2a and 2b are used. For quality control systems. One or more sensor sources (here cameras) supply a processor (node) with data. In the case of very slow data streams, the data from several sensor sources (transducers) can also be completely processed by one processor. The computing power of the processor is designed so that it can process the data from all connected sensor sources. The billable amount of data of the processor must be greater than or equal to the amount of data supplied by the sensors. However, since today's cameras can deliver similar or larger amounts of data than the processor can process, this is done by inserting a hardware-implemented preprocessing that reduces the amount of data to the computing power of the processor through suitable data loss. The permitted data loss in preprocessing is always dependent on the evaluation used, so that if the evaluation method changes, a new hardware preprocessing must also be implemented. A software parameterization and a quick change of the processing algorithm is impossible due to the adapted required hardware pre-processing.
Es wird daher (erfindungsgemäß) vorgeschlagen, die Datenströme aller Aufnehmer zusammenzuführen und - angepaßt an die Rechenleistung eines jeweiligen von mehreren Prozessoren - diesem Prozessor eine bestimmte Teildatenmenge zur Verarbeitung zuzuführen (Anspruch 1, 2, 3). Damit wird erfindungsgemäß eine optimale Ausnutzung der einzelnen Prozessoren möglich, eine Rechnerleistung muß nicht mehr zu einem Aufnehmer mehr oder weniger genau passen und vice versa; die Rechnerleistung wird von der Auflösung des Aufnehmers (Sensors), der die gelieferte (und zu verarbeitende) Datenleistung vorgibt, entkoppelt. Unnötige Redundanz durch zusätzliche Prozessorknoten und nur unzureichende Auslastung eines Prozessorknotens kann vermieden werden. Die Hardware wird "skalierbar" und kann sich aus Standard-Komponenten, wie Workstations oder Standard-PC s, zusammensetzen. Bei einer Erweiterung der Anlage aufgrund eines anderen Algorithmus und benötigter höherer Rechenleistung oder mehr oder datenlieferfreudigerer Sensoren kann ein zusätzlicher Prozessorknoten hinzugefügt und die Verteilung der Datenströme umkonfiguriert werden, ohne die gesamte Anlage neu dimensionieren zu müssen.It is therefore proposed (according to the invention) the data streams bring together all transducers and - adapted to the Computing power of each of several processors - this processor a certain amount of partial data for processing feed (claim 1, 2, 3). Thus, according to the invention optimal utilization of the individual processors possible, one Computer power no longer has to be a transducer or fit less exactly and vice versa; the computing power will on the resolution of the transducer (sensor) that delivered the Specifies (and to be processed) data performance, decoupled. Unnecessary redundancy through additional processor nodes and only insufficient utilization of a processor node can be avoided will. The hardware becomes "scalable" and can become out Standard components such as workstations or standard PCs put together. If the system is expanded due to a different algorithm and higher computing power required or An additional sensor can provide more or more data-ready sensors Processor nodes added and the distribution of data streams can be reconfigured without having to rebuild the entire system to have to dimension.
Es geht der Erfindung also darum, ein Verarbeitungssystem speziell für Bilder vorzuschlagen, das es erlaubt, ein Multiprozessorsystem in einer Verarbeitungsaufgabe hinsichtlich der verfügbaren Rechenleistung optimal einzusetzen. Die Idee besteht darin, die Daten aller Sensoren (Aufnehmer oder Quellen) in einem Bildverteiler zu einem virtuellen Gesamtdatenstrom zu vereinigen und diesen gesammelten Datenstrom anschließend flexibel auf die angeschlossenen Prozessorknoten verteilend zu extrahieren. Dadurch erhält jeder Prozessorknoten genau die Datenmenge, die er noch verarbeiten kann.The invention is therefore about a processing system to propose specifically for images that allows one Multiprocessor system in a processing task regarding optimal use of the available computing power. The idea consists of the data of all sensors (sensors or sources) to an overall virtual data stream in an image distributor unite and then this collected data stream distributing flexibly to the connected processor nodes extract. This gives each processor node exactly that Amount of data that he can still process.
Eine Minimierung der Prozessorknoten und eine sehr gute Ausnutzung der Rechnerkapazitäten wird dadurch erreicht. Bei einem Umstieg auf einen anderen Verarbeitungsalgorithmus muß nur die Verteilungsfunktion in dem Bildverteiler verändert werden. Dies erlaubt zum einen einen optimalen Ausnutzungsgrad bei mehreren Signalquellen und schafft zudem erst die Möglichkeit bei einer einzelnen Sensorquelle die Daten auf mehrere Prozessorknoten zu verteilen und den Prozessorsystemen zur Verfügung zu stellen, ohne eine Daten unterdrückende Vorverarbeitung durchführen zu müssen.A minimization of the processor nodes and a very good one This enables utilization of the computer capacities. At a switch to another processing algorithm only has to the distribution function in the image distributor can be changed. On the one hand, this allows an optimal degree of utilization several signal sources and also creates the possibility for a single sensor source, the data for several Distribute processor nodes and the processor systems for To make available without a data suppressive To have to do preprocessing.
Die Anzahl m der Ausgänge (Ausgangskanäle), sowie die Datenmenge pro Ausgangskanal im Bildverteiler sind bevorzugt programmierbar. Sollte bei einem bestehenden System eine neue Verteilfunktion oder solche Schema eingesetzt werden und die Rechenleistung für diesen Algorithmus in einem Konten nicht mehr ausreichen, so wird ein zusätzlicher Prozessorknoten eingebunden, die Anzahl der Ausgänge erhöht und die Datenmenge pro Ausgangskanal reduziert. The number m of outputs (output channels) and the amount of data per output channel in the image distributor are preferred programmable. If an existing system is new Distribution function or such a scheme can be used and the Computing power for this algorithm in an account no longer will suffice, so an additional processor node integrated, the number of outputs increased and the amount of data reduced per output channel.
Die Erfindung(en) werden nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert und ergänzt.The invention (s) are described below with reference to several Exemplary embodiments explained and supplemented.
Fig. 1 ist ein verallgemeinertes Blockschaltbild eines Beispiels der Erfindung. Fig. 1 is a generalized block diagram of an example of the invention.
Fig. 2a, Fig. 2b sind verallgemeinerte Blockschaltbilder nach dem Stand der Technik. Fig. 2a, Fig. 2b are generalized block diagrams according to the prior art.
Fig. 3 ist ein spezielles erstes Blockschaltbild eines bildverarbeitenden Beispiels der Erfindung mit Zeilenkameras. Figure 3 is a specific first block diagram of an image processing example of the invention with line scan cameras.
Fig. 4 ist ein inneres Blockschaltbild eines Beispiels einer Bildverteilerschaltung. Fig. 4 is an internal block diagram of an example of an image distribution circuit.
Fig. 5 ist ein zweites spezielles Blockschaltbild eines bildverarbeitenden Beispiels der Erfindung mit Flächenkameras. Figure 5 is a second specific block diagram of an image processing example of the invention with area scan cameras.
Am Beispiel der Oberflächenanalyse soll das Verfahren erläutert und ergänzt werden. Die Problemstellung sei, eine Endloskontrolle eines - nicht gezeigten - Bahnmaterials mit hoher Auflösung durchzuführen. Veranschaulicht ist das in Fig. 3, die eine spezielle Gestaltung des auf Bilder ausgerichteten Abtastsystems mit Vereinigungsstufe 20a und Extraktionsstufe 20b gem. Fig. 1 ist.The method is to be explained and supplemented using the example of surface analysis. The problem was to carry out an endless inspection of a web material - not shown - with high resolution. This is illustrated in Fig. 3, which a special design of the image-oriented scanning system with union level 20 a and extraction level 20 b acc. Fig. 1 is.
Gegeben sei ein Bahnmaterial, das eine Breite von 1200 mm besitzt und auf Fehler der Größe von 40 µm hin untersucht werden soll. Die max. Vorschubgeschwindigkeit Vmax sei 600 mm/s. Die Abtastung soll mit drei Zeilenkameras 10, 11, 12 erfolgen.Consider a web material that is 1200 mm wide and should be examined for defects of 40 µm in size. The max. Feed speed V max is 600 mm / s. The scanning should take place with three line cameras 10 , 11 , 12 .
Geht man davon aus, daß der minimale Fehler in jeder Richtung mindestens in zwei Pixeln der Kamera enthalten sein sollte, wäre die notwendige Auflösung des Kamerasystems 20 µm. Zur Abtastung der Bahnbreite benötigt man somit 6000 Pixel bei einer Zeilenfrequenz von 30kHz (= 600 mm/sec dividiert durch 20 µm). Die Gesamtdatenrate beträgt somit 180 Mpixel/sec. Als Kamerasystem bietet sich die Verwendung von drei Zeilenkameras mit 2048 Pixeln bei jeweils zwei Ausgängen und 30 Mpixel pro Ausgangskanal an. Als Eingänge in den Bildverteiler wären daher sechs Kanäle je 30 Mpixel/s vorhanden, um die obige Anforderung zu erfüllen.Assuming that the minimum error in each direction should be contained in at least two pixels of the camera the necessary resolution of the camera system 20 µm. For sampling of the web width you need 6000 pixels for one Line frequency of 30 kHz (= 600 mm / sec divided by 20 µm). The The total data rate is 180 Mpixel / sec. As a camera system offers the use of three line scan cameras 2048 pixels with two outputs each and 30 Mpixels per Output channel. So would be as inputs to the image distributor six channels each 30 Mpixel / s available to meet the above requirement to fulfill.
Um eine möglichst hohe Datenbandbreite zu erreichen, besitzen heutige CCD-Sensoren unter Umständen mehr als einen Ausgangskanal (typ. 1 bis 16 Kanäle), da die Datenrate pro Kanal bei max. 40 Mpixel/s liegt. Über jeden Ausgangskanal wird dann ein bestimmter Teil des Bildes nach außen übertragen.To achieve the highest possible data bandwidth, own CCD sensors today may have more than one Output channel (typically 1 to 16 channels) because the data rate per channel at max. 40 Mpixel / s lies. Then over each output channel a certain part of the image transmitted to the outside.
Als Verarbeitungseinheit (Prozessorknoten) sind im Beispiel Multipentium-Boards 40, 41, . . . 48 gewählt, bei denen jeder Prozessor aufgrund des Verarbeitungsalgorithmus eine Datenrate von 20 Mpixel/s an deinem Eingang e40, e41, . . ., e48 verarbeiten kann. Zur Verarbeitung werden 9 Prozessoren 40 bis 48 eingesetzt, die mit Teilen der virtuellen Zeile gespeist werden. Jeder Prozessor erhält eine Teilzeile von 6000/9 Pixel, also ca. 667 Pixel, die er verarbeiten kann. Die Ergebnisse werden über eine Netzverbindung zwischen den Prozessoren ausgetauscht oder an einen Master-Prozessor zur Steuerung weitergeleitet.Multipentium boards 40 , 41 ,... Are used as processing units (processor nodes) in the example. . . 48 selected, in which each processor based on the processing algorithm a data rate of 20 Mpixel / s at your input e 40 , e 41 ,. . ., e 48 can process. For processing, 9 processors 40 to 48 are used, which are fed with parts of the virtual line. Each processor receives a partial line of 6000/9 pixels, i.e. approx. 667 pixels, which it can process. The results are exchanged between the processors via a network connection or forwarded to a master processor for control.
Der Bildverteiler 20 besitzt gem. Fig. 4 zwei Kreuzschienenverteiler (Crosspoint-Switch) 20a und 20b am Eingang bzw. am Ausgang. Am Eingang werden die Datenpfade durch den Crosspoint-Switch 20a auf eine interne Speicherstruktur des Bildverteilers gemappt oder vereinigt (konglomeriert). Zwei Speicherbänke sind als Speicher 21 dargestellt. Als Speicher 21 steht ein Zweitorspeicher (Dual-Port-RAM) zur Verfügung, der von zwei Seiten gleichzeitig gelesen oder beschrieben werden kann.The image distributor 20 has gem. Fig. 4 two crossbar switch (crosspoint switch) 20 a and 20 b at the input and at the output. At the entrance, the data paths are mapped or combined (conglomerated) by the crosspoint switch 20 a onto an internal memory structure of the image distributor. Two memory banks are shown as memory 21 . A two-port memory (dual-port RAM) is available as memory 21 , which can be read or written from two sides simultaneously.
Ein linker Adressen-Sequencer 22a steuert dabei pixelweise den Crosspoint-Switch 20a und gibt die Adresse zum Speichern an das Dual-Port-RAM 21 aus. Am Ausgang befindet sich ebenfalls ein Crosspoint-Switch 20b, der die vom Dual-Port-RAM 21 gelesenen Daten pixelweise von der internen Speicherstruktur auf die Ausgangskanäle mappt oder verteilt (extrahiert). Dazu ist ein zweiter Adressen-Sequencer 22b vorhanden, der unabhängig vom ersten das lesen und Mappen der Ausgangsdaten organisiert. Zur Synchronisation der Eingangs- und Ausgangsdaten wird eine Ablaufsteuerung 23 verwendet.A left address sequencer 22 a controls the crosspoint switch 20 a pixel by pixel and outputs the address for storage to the dual-port RAM 21 . At the output there is also a crosspoint switch 20 is b, the data read from the dual port RAM 21 pixel by pixel maps or from the internal memory structure to the output channels distributed (extracted). For this purpose, a second address sequencer 22 b is provided, which organizes reading and mapping of the output data independently of the first. A sequence controller 23 is used to synchronize the input and output data.
Ein sich durch das gesteuerte Vereinigen bildende virtuelle Bild im internen Speicher kann sowohl eine Zeile als auch eine Fläche des beobachteten Objekts sein. In einem Fall werden Teilzeilen ausgeschnitten und den Prozessoren 40 bis 48 zur Verfügung gestellt, im anderen Fall können bestimmte Teilflächen zur Verarbeitung an die Prozessoren 40 bis 48 weitergeleitet werden. Dies ist bevorzugt für Aufgaben in der Texturanalyse von Oberflächen anzuwenden.A virtual image formed by the controlled merging in the internal memory can be both a line and an area of the observed object. In one case, partial lines are cut out and made available to the processors 40 to 48 , in the other case certain partial areas can be passed on to the processors 40 to 48 for processing. This is preferred for tasks in the texture analysis of surfaces.
Als zusätzliche Möglichkeit können Eingangsdaten mehrfach auf Ausgangskanäle a40, a41,. . ., a48 verteilt werden. Insbesondere können so überlappende Regionen geschaffen werden, die von mehreren Prozessoren ausgewertet und berücksichtigt werden können. Fehler, die normalerweise auf der Grenze zwischen zwei Bearbeitungsabschnitten liegen und von zwei unterschiedlichen Prozessoren nur teilweise erfaßt und ausgewertet werden, können durch die überlappenden Bearbeitungsregionen sicher erkannt und unabhängig voneinander ausgewertet werden.As an additional option, input data can be transferred to output channels a 40 , a 41,. . ., a 48 can be distributed. In particular, overlapping regions can be created that can be evaluated and taken into account by several processors. Errors that normally lie on the boundary between two processing sections and are only partially recorded and evaluated by two different processors can be reliably recognized by the overlapping processing regions and evaluated independently of one another.
An einem weiteren Beispiel gern. Fig. 5 soll die Verteilung von Teilflächen an mehrere Prozessoren 40 bis 43 gezeigt werden. Bei einem Texturanalyseproblem erfaßt eine Flächenkamera 19 die Oberfläche und leitet die aufgenommenen Bilder mit einer Pixelrate von 15 Mpixel/s an den Bildverteiler 20 (z. B. aufgebaut gem. Fig. 4).With another example. FIG. 5 shows the distribution of partial areas to a plurality of processors 40 to 43 . In a texture analysis Problem an area camera 19 detects the surface and directs the captured images with a pixel rate of 15 Mpixel / s to the image distributor 20 (z. B. constructed gem. Fig. 4).
Da Texturanalysen sehr rechenaufwendig sind, kann ein Prozessor nur eine mittlere Datenrate von 3,75 Mpixel/sec verarbeiten. Daher werden aus dem Bild Teilflächen der Größe 64×64 Pixel ausgeschnitten und an verschiedene Prozessoren verteilt. Diese können dann parallel auf ihren Teilflächen eine Auswertung vornehmen und die Ergebnisse an eine übergeordnete Stelle weiterleiten.Since texture analysis is very computationally expensive, a processor can only process an average data rate of 3.75 Mpixel / sec. Therefore, the image becomes partial areas of 64 × 64 pixels cut out and distributed to different processors. This can then make an evaluation in parallel on their subareas make and the results to a higher level hand off.
Die Bildverteiler-Struktur 20 läßt sich - ausgehend von dem allgemeinen Blockschaltbild gem. Fig. 1 - auch auf andere schnelle Signalquellen ausweiten, bei denen die Rechnerleistung eines Prozessors nicht ausreicht (z. B. akustische Signale, Spannungen, Logikanalyse etc.).The image distributor structure 20 can - starting from the general block diagram according to Fig. 1 - also extend to other fast signal sources for which the computing power of a processor is insufficient (e.g. acoustic signals, voltages, logic analysis, etc.).
Die Zusammenführung der Auswerteergebnisse von den einzelnen Prozessoren am Ausgang des Bildverteilers erfolgt in einem "Master" 100 zu einem Gesamtergebnis.The merging of the evaluation results from the individual Processors at the output of the image distributor are made in one "Master" 100 for an overall result.
Eine Mehrfachauswertung der gleichen Daten durch eine Parallelübertragung an mehrere Prozessoren ist möglich; es könnten so verschiedene Erkennungs- und Auswerteverfahren für denselben Oberflächenbereich eingesetzt werden.A multiple evaluation of the same data by one Parallel transmission to several processors is possible; it could use different detection and evaluation methods for the same surface area can be used.
Claims (3)
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