Industrielle Automation 2/2015

INDUSTRIELLE

INDUSTRIELLE KOMMUNIKATION Mehr Rechenpower dank leistungsstarken IPC Systemen Aktuelle Industriekameras fordern immer höhere Hardware-Performance Christian Jeske Wie im Consumer-Bereich auch, werden IT-Systeme in der Industrie immer leistungsstärker. Am Beispiel von Industriekameras wird die Notwendigkeit besonders im Bereich Bildverarbeitung deutlich und zeigt die Anforderungen sowie das ständig wachsende Datenvolumen der Applikationen. Um diese technische Herausforderung zu meistern, stehen unterschiedliche Hardware-Lösungen zur Verfügung. I n den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Kameras mit hoher Auflösung stark gestiegen. Reichten in typischen Anwendungen vor ein paar Jahren noch 2 MP aus, werden nun 5 MP eingesetzt. Auch Industriekameras mit 10 - 15 MP sind inzwischen keine Exoten mehr. Mit den höheren Auflösungen der Kamerachips steigt auch der Bedarf an Rechenleistung zur Verarbeitung der Bilddaten. Heute reicht ein Prozessor (CPU) für viele Anwendungen nicht mehr aus. Betrachten wir beispielhaft einen Mustervergleich, so führt die Verdoppelung der Auflösung des Bildes zu einer Verdoppelung der Größe des gesuchten Musters. Somit steigt der Rechenaufwand sogar auf das Vier fache. Um diese hohen Datenmengen der Kamerachips verarbeiten zu können, bedarf es besonderer Hardware-Lösungen. Autor: Christian Jeske, Leiter Marketing bei Pyramid Computer in Freiburg im Breisgau CPU-basierter Ansatz Wahlweise können Anwender auf Dual Socket Lösungen übergehen oder die eine CPU mit ein oder zwei Grafikkarten (GPU) unterstützen. Der CPU-basierte Ansatz hat den Vorteil, dass der Code einfach und in einer beliebigen Sprache zu erstellen ist. Aktuelle CPUs wie die Xeon-Prozessoren der Haswell-Generation bieten bis zu 18 parallel arbeitende CPU-Kerne. Eine Dual Socket Lösung kann somit 36 Kerne zur Verfügung stellen. Fast sollte man meinen, dass die Geschwindigkeitsvorteile, die Mehrkernprozessoren bieten, automatisch zu einem höheren Durchsatz der Bildverarbeitungsapplikation führt. Schließlich basiert seit etwa zehn Jahren der Performancegewinn bei den neuen Prozessoren hauptsächlich auf der erhöhten Parallelität und nur kaum auf den leicht höheren Taktraten. Dennoch sind noch immer nicht alle am Markt etablierte Bildverarbeitungsbibliotheken in der Lage, diese parallelen Ressourcen auch zu nutzen. Nur eine moderne Bildverarbeitungsbibliothek kann schnelle und hochauflösende Anwendungen bewerkstelligen. GPU-basierte Lösungen Alternativ zu den rein auf CPU basierende Lösungen kommen GPUs zum Einsatz. Diese werden klassisch in einer herstellereigenen proprietären Sprache wie CUDA programmiert und ein Handshaking mit der Haupt-CPU implementiert. Jede einzelne derartige Programmierung ist für eine bestimmte Hardwarekonfiguration zu optimieren. Bei einer größeren Änderung von Komponenten ist auch die Programmierung anzupassen. Alternativ kann seit 2010 OpenCL verwendet werden, das speziell uneinheitliche Parallelrechner aus CPUs und GPUs unterstützt. Bei OpenCL-Programmierung verteilt das Betriebssystem die Aufgaben an die aktuell zur Verfügung stehenden Recheneinheiten. Eine Anpassung des Codes an die Hardware entfällt. Diese Anpassung an die Hardware erweist sich auch bei den schnellen Produktwechseln als vorteilhaft. Während embedded CPUs mit fünf bis sieben Jahren langzeitverfügbar sind, muss bei den für Consumer Anforderungen konzipierten Grafikkarten mit zwei Generationen in nur einem Jahr gerechnet werden. Embedded Varianten sind zwar in einigen Modellen verfügbar, doch ist deren Auswahl und Performance stark eingeschränkt. CPU plus Grafikprozessor Neben den beiden Ansätzen einer reinen CPU-Lösung und einer CPU/GPU-Kombination ist auch ein Mittelweg möglich. Einige Intel Core i7-, als auch einige Single- Socket Xeon-Prozessoren verfügen über einen integrierten Grafikprozessor. Diese lassen sich durch die Intel Quick Assist Technologie zur Unterstützung der 4 - 6 CPU- Cores nutzen. Ein solches System kombiniert Wirtschaftlichkeit mit großem Temperaturbereich und hoher Zuverlässigkeit. Bei der Quick Assist Technologie erfolgt die Kommunikation von CPU und GPU innerhalb eines Chips, ohne dass PCIe-Lanes belegt werden müssen. SSDs für höhere Datenraten High Speed Kameras erzeugen einen Videostream, dessen Datenrate die Schreibge- 32 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2015

INDUSTRIELLE KOMMUNIKATION 01 Leistungsstarker Bildverarbeitungs-PC mit 2 CPUs und 30 Kernen sowie Hot-Swap-Lüftern schwindigkeit von Festplatten um ein Vielfaches übersteigen kann. Sollen die Bilddaten nicht nur ausgewertet, sondern auch gespeichert werden, so muss dies in dem Rechner erfolgen, der auch die Framegrabber-Karten enthält. Durch Parallelisierung von Platten in einem Raid-Verbund addieren sich etwa die Schreibgeschwindigkeiten der Platten. Während herkömmliche Festplatten durch ihre Mechanik Prinzip bedingt niedrige Schreibgeschwindigkeiten besitzen, bieten SSDs (Solid­ State-Drives) ein Vielfaches an Performance. Künftig sind von den SSDs weitere er ­ heb liche Verbesserungen zu erwarten, die diesen Anwendungen zu Gute kommen. Diese hohen Anforderungen an Rechenleistung und Schreibgeschwindigkeit müssen nicht notwendigerweise zu größerem Platzbedarf führen, wie der Cam Cube Plus von Pyramid Computer beweist: Ein leistungsstarkes System mit zwei XEON-Prozes ­ soren wurde in einem kompakten Gehäuse „Künftig sind von den SSDs weitere Verbesserungen zu erwarten“ realisiert. Die bedarfsgerechte Lüfterregelung sorgt auch bei Vollauslastungen für eine gute Kühlung. Die wachsenden Auflösungen der Industriekameras erhöhen spürbar den Bedarf an Rechenleistung. Die immer leistungsfähigeren Kamerachips werden sicherlich auch 02 Cam Cube Plus für GPU-Integration in der Zukunft diesen Trend anhalten lassen. Auch die zunehmend populären 3-D­ Anwendungen führen zu einem Mehr an Rechenbedarf, der sich in der Regel nicht mehr durch die Fortschritte bei den Prozessoren decken lässt. Stattdessen werden zwei Prozessoren parallel betrieben oder durch eine GPU ergänzt. Foto: Aufmacher Fotolia www.pyramid.de IMPRESSUM erscheint 2015 im 28. Jahrgang, ISSN: 2194-1157 Redaktion Chefredakteur: Dipl.-Ing. (FH) Dirk Schaar Tel.: 06131/992-345, E-Mail: d.schaar@vfmz.de (verantwortlich für den redaktionellen Inhalt) Redaktion: Dipl.-Ing. (FH) Nicole Steinicke, Tel.: 06131/992-350, E-Mail: n.steinicke@vfmz.de Peter Becker B. A., E-Mail: p.becker@vfmz.de Alexandra Pisek M.A., E-Mail: a.pisek@vfmz.de Redaktionsassistenz: Ulla Winter, Tel.: 06131/992-347, E-Mail: u.winter@vfmz.de, Eva Helmstetter, Gisela Kettenbach, Monika Schäfer (Redaktionsadresse siehe Verlag) Grafik und Layout Sonja Schirmer, Doris Buchenau, Anette Fröder, Conny Grothe, Melanie Lerch, Mario Wüst Chef vom Dienst Dipl.-Ing. (FH) Winfried Bauer Anzeigen Oliver Jennen, Tel.: 06131/992-262, E-Mail: o.jennen@vfmz.de Helge Rohmund, Anzeigenverwaltung Tel.: 06131/992-252, E-Mail: h.rohmund@vfmz.de Anzeigenpreisliste Nr. 27: gültig ab 1. 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