CN110717853A - 一种基于嵌入式gpu的光学图像处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统。该系统包括主嵌入式GPU模块、从嵌入式GPU模块、FPGA模块和存储模块；所述存储模块与所述主嵌入式GPU模块连接，所述存储模块存储有操作系统，用来为所述主嵌入式GPU模块安装所述操作系统；所述FPGA模块用来接收所述主嵌入式GPU模块发送的配置参数及控制命令，将采集的图像数据发送给所述从嵌入式GPU模块进行图像数据处理，并接收所述从嵌入式GPU模块的处理结果输出给所述主嵌入式GPU模块。本发明可以实现系统结构简单化、集成化、小型化、高灵活性和低成本。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，更具体地，涉及一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统。
背景技术
LCD等显示屏被广泛应用在电脑、通讯、消费型电子等行业中。显示屏的制造工艺比较复杂，从而导致显示屏可能存在缺陷，因此需要进行自动光学检测检测，即AOI（Automated Optical Inspection）。AOI系统中的一个重要部分就是图像处理系统。AOI的图像处理系统会需要执行深度学习等大量图像计算处理工作。随着LCD和OLED的显示行业的发展，用于AOI的图像处理系统复杂度和要求也出现了指数级的增长，图像处理中涉及的算法工作量大。
现有AOI的光学图像处理系统通常采用服务器+GPU的结构，即常采用X86或是ARM架构的服务器，搭载专业性的GPU标卡，构成GPU服务器，服务器作为主处理器，GPU仅用来执行图像处理的深度学习计算等。但是这种结构存在以下缺点：
（1）系统计算处理能力有限，响应速度慢、系统整体成本高、系统体积大；
（2）系统结构复杂，一般都会需要多个功能模块组合，例如针对不同的分辨率的屏幕，需要配置不同的采像单元；
（3）分离组成的系统架构，使用和功能灵活性低。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，可以实现系统结构简单化、集成化、小型化、高灵活性和低成本。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，包括主嵌入式GPU模块、从嵌入式GPU模块、FPGA模块和存储模块；
所述存储模块与所述主嵌入式GPU模块连接，所述存储模块存储有操作系统，用来为所述主嵌入式GPU模块安装所述操作系统；
所述FPGA模块用来接收所述主嵌入式GPU模块发送的配置参数及控制命令，将采集的图像数据发送给所述从嵌入式GPU模块进行图像数据处理，并接收所述从嵌入式GPU模块的处理结果，将处理结果发送给所述主GPU模块进行输出。
优选地，所述FPGA模块用作FPGA核心背板，包括多个高速连接器，FPGA核心背板通过多个高速连接器与多个子卡相连接，所述高速连接器与所述子卡之间具有热插拔电路。
优选地，所述子卡包括Camera Link接口子卡，所述Camera Link接口子卡用来与高像素的CL接口工业相机连接采集图像数据，所述Camera Link接口子卡包括子FPGA模块，所述子FPGA模块与所述FPGA核心背板相连接。
优选地，所述子卡包括 G-ETH接口子卡，所述 G-ETH接口子卡用来与低像素的网口接口工业相机连接采集图像数据，所述 G-ETH接口子卡包括子FPGA模块，所述子FPGA模块与所述FPGA核心背板相连接。
优选地，所述子卡包括QSFP+光纤接口子卡和/或IO子卡，所述QSFP+光纤接口子卡用来连接支持光纤接口的设备，所述IO子卡用于系统的开发调试。
优选地，根据所述图像处理系统的应用场景增加或减少所述从嵌入式GPU模块的数量。
优选地，所述从嵌入式GPU模块支持热插拔。
优选地，所述主嵌入式GPU模块通过PCIe接口与所述FPGA模块连接。
优选地，所述主嵌入式GPU模块通过SATA接口或PCIe接口与所述存储模块连接。
优选地，所述主GPU模块与显示设备和/或输入设备连接，所述显示设备用来提供人机交互界面或显示图像处理结果，所述输入设备用来接收用户输入的指令。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点：
（1）利用外接的存储模块为主嵌入式GPU安装操作系统，主嵌入式GPU作为主处理器，利用FPGA的并行处理优势，组成了一个小型计算系统，系统结构简单化、高度集成化、小型化、适用性广、成本低，不再需要单独的PC或者服务器作为处理器；
（2）整个图像处理系统由背板+子卡组成，图像处理系统被模块化设计，可以根据实际应用场景灵活配置，功能灵活性高；
（3）多个模块可支持热插拔，安装使用便捷。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于嵌入式GPU的光学图像处理系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的FPGA模块结构示意图；
图3是本发明实施例提供的Camera Link接口子卡结构示意图；
图4是本发明实施例提供的G-ETH接口子卡结构示意图；
图5是本发明实施例提供的 QSFP+光纤接口子卡结构示意图；
图6是本发明实施例提供的IO接口子卡结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例的一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，包括主嵌入式GPU模块、从嵌入式GPU模块、FPGA模块和存储模块。存储模块与主嵌入式GPU模块连接，存储模块存储有操作系统，用来为主嵌入式GPU模块安装操作系统。FPGA模块一方面用来接收主嵌入式GPU模块发送的配置参数及控制命令，来实现系统的控制管理，另一方面，将采集的图像数据发送到从嵌入式GPU模块进行数据处理，并接收从嵌入式GPU模块的处理结果，将处理结果发送给主GPU模块进行输出。这样，本发明利用外接的存储模块为主嵌入式GPU安装操作系统，利用FPGA的并行处理优势，就可以组成一个小型便捷、适用于图像处理的计算系统。
图1是本发明实施例的一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统的架构示意图。该硬件平台系统中，嵌入式GPU模块包括主嵌入式GPU模块（GPU1）和多个从嵌入式GPU模块（GPU2至GPUn），n为大于2的整数。主嵌入式GPU模块与存储有Linux操作系统的存储模块连接，存储模块可以是机械硬盘或SSD或Pcie_SSD等，用来存储操作系统及其他相关数据。FPGA模块作为控制模块，其扩展对外多路PCIe信号，用于和主嵌入式GPU模块和从嵌入式GPU模块互连，主要用于对系统的控制以及采集的图像数据的转发。
GPU1作为一个主处理器来使用。GPU1可用于通过人机交互接收配置参数及控制命令并发送配置参数及控制命令给FPGA模块，还用于接收FPGA模块的处理结果并输出。GPU1可支持简化版的Linux操作系统。通过GPU内部的内存控制器可外挂一定容量的内存，其形式可以是内存条的形式，也可以是内存颗粒的形式，主要用来对数据的缓存。通过相关存储总线接口外接存储设备，安装Linux操作系统。存储总线接口可以是SATA或PCIe等接口。其他的GPU模块（GPU2至GPUn）作为从设备，主要是用于对图像处理数据的计算处理。其中，GPU 模块的数量可以根据实际应用场景以及硬件资源来灵活配置，进行扩展或删减，通过模块化的设计极大地提高了使用的灵活性以及功能的灵活性。
可选地，嵌入式GPU模块可以只包括主嵌入式GPU模块，主嵌入式GPU模块除了作为主处理器使用外，同时可以用来替代下述从嵌入式GPU模块，执行如图像处理数据的计算处理。
GPU1可以与显示设备连接，显示设备用来提供人机交互界面或显示图像处理结果。例如，GPU1通过视频接口与显示器连接，作为人机界面交互的操作界面。视频接口可以是DP接口。GPU1可以与输入设备连接，输入设备用来接收用户输入的指令。例如，GPU1通过USB接口连接鼠标和键盘。这样，通过高度集成的GPU1模块以及周边的外围设备可以组成一个完整的小型化的计算机系统，对图像数据的输入输出进行计算分析和管理。
嵌入式 GPU模块的PCIe信号既可以作为root port来使用，也可以作为endpoint来使用。如本实例中，GPU1的PCIe主要用于root port来使用，一组x4 Lane信号用于外接Pcie-SSD来扩展存储模组，另外一组X8 Lane信号用于连接FPGA，用来数据的高速传输，其他从GPU设备既可作root port来使用，也可以用于endpoint，主要依据于不同的应用场景。
基于嵌入式GPU模块，图像处理系统计算能力强，体积小，实现多GPU模块的嵌入式系统，其GPU模块支持插拔，可以根据实际应用场景灵活的配置GPU模块的数量。
FPGA模块主要用来系统的控制功能，其命令来自于GPU1的操作系统，主要用于系统的控制和管理。将需要处理的数据分发到不同的GPU处理单元，分布式处理架构；同时也充分利用FPGA自身的并行处理的优势，实现图像数据在图像采集器和GPU模块之间的数据交换以及协调处理。
可选地， FPGA模块用作FPGA核心背板，包括多个高速连接器，FPGA核心背板通过多个高速连接器与多个子卡相连接，高速连接器与所述子卡之间具有热插拔电路。热插拔电路包括电源的热插拔保护和重要信号的热插拔保护。如图2所示，FPGA模块作为核心背板对外接口采用一致的高速连接器，其pin定义也保持完全一致或兼容性设计，确保和除IO子卡外其他不同类型的子卡可以无差别热插拔。
可选地，子卡包括Camera Link接口子卡，如图3所示，通过从背板上面牵引出的SERDES信号和子卡的FPGA互联，扩展出4个Camera Link接口，用于和高像素的CL接口工业相机相连采集图像数据。高像素的工业相机采集的数据通过高速连接器传输给FPGA背板，然后在主GPU的控制下将数据分发给各个从GPU进行数据的处理。
可选地，子卡包括G-ETH接口子卡，如图4所示，通过从背板上面牵引出的SERDES信号和子卡的FPGA互联，扩展出4个可支持POE的千兆网口接口，用于低像素的网口接口工业相机相连采集图像数据。同样，低像素的工业相机采集的数据通过高速连接器传输给FPGA背板，然后在主GPU的控制下将数据分发给各个从GPU进行数据的处理。
可选地，子卡包括QSFP+光纤接口子卡，如图5所示，通过从背板上面牵引出的SERDES信号连接到子卡上，输出两个QSFP+的光纤接口，用于连接支持光纤接口的设备，来扩展其他接口信号。当需要与其它设备进行交互时，需要用到该接口。
可选地，子卡包括 IO接口子卡，如图6所示，通过从背板上牵引出系统所需的IO信号，比如Uart/JTAG/GPIO/LAN等接口，主要用于系统的开发调试和debug使用。
所有的子卡以及背板接口都可设计成支持热插拔的方式，方便调试以及现场运维。
子卡的接口定义和尺寸可以是一致的。其子卡可以根据实际应用需求进行选用不同接口类型的子卡，其中IO接口卡可固定外置，采用任意一端的位置安装IO子卡。除IO卡外其他接口子卡可支持无差别任意热插拔，每类子卡有特定的ID号或FRU信息来被主控制器唯一识别。
这样，整个光学图像处理系统由背板+子卡组成，图像处理系统被模块化设计，可以根据实际应用场景灵活配置，例如针对不同的分辨率的屏幕的自动光学检测，配置不同数量不同类型的相机。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，其特征在于，包括主嵌入式GPU模块、从嵌入式GPU模块、FPGA模块和存储模块；
所述存储模块与所述主嵌入式GPU模块连接，所述存储模块存储有操作系统，用来为所述主嵌入式GPU模块安装所述操作系统；
所述FPGA模块用来接收所述主嵌入式GPU模块发送的配置参数及控制命令，将采集的图像数据发送给所述从嵌入式GPU模块进行图像数据处理，并接收所述从嵌入式GPU模块的处理结果，将处理结果发送给所述主GPU模块进行输出。
2.如权利要求1所述的一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，其特征在于，所述FPGA模块用作FPGA核心背板，包括多个高速连接器，FPGA核心背板通过多个高速连接器与多个子卡相连接，所述高速连接器与所述子卡之间具有热插拔电路。
3. 如权利要求2所述的一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，其特征在于，所述子卡包括Camera Link接口子卡，所述Camera Link接口子卡用来与高像素的CL接口工业相机连接采集图像数据，所述Camera Link接口子卡包括子FPGA模块，所述子FPGA模块与所述FPGA核心背板相连接。
4. 如权利要求2所述的一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，其特征在于，所述子卡包括 G-ETH接口子卡，所述 G-ETH接口子卡用来与低像素的网口接口工业相机连接采集图像数据，所述 G-ETH接口子卡包括子FPGA模块，所述子FPGA模块与所述FPGA核心背板相连接。
5. 如权利要求2所述的一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，其特征在于，所述子卡包括 QSFP+光纤接口子卡和/或IO子卡，所述QSFP+光纤接口子卡用来连接支持光纤接口的设备，所述IO子卡用于系统的开发调试。
6.如权利要求1至5任一项所述的一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，其特征在于，根据所述图像处理系统的应用场景增加或减少所述从嵌入式GPU模块的数量。
7.如权利要求1至5任一项所述的一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，其特征在于，所述从嵌入式GPU模块支持热插拔。
8.如权利要求1至5任一项所述的一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，其特征在于，所述主嵌入式GPU模块通过PCIe接口与所述FPGA模块连接。
9.如权利要求1至5任一项所述的一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，其特征在于，所述主嵌入式GPU模块通过SATA接口或PCIe接口与所述存储模块连接。
10.如权利要求1至5任一项所述的一种基于嵌入式GPU的光学图像处理系统，其特征在于，所述主GPU模块与显示设备和/或输入设备连接，所述显示设备用来提供人机交互界面或显示图像处理结果，所述输入设备用来接收用户输入的指令。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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