общее

лето речное московское

Карательная электроника: Как нельзя разрабатывать интерфейс скоростной видеокамеры.

Кратко в статье будет:

Что же не так в первой же картинке: хоть и выглядит вполне аккуратно, или сказ о наводках и СВЧ чёрной цифровой магии и почему так делать нельзя.

Немного об отладочной плате FPGA и особенностях разработки.

Как сделать связь с ПК в сотни мегабит, менее 100мбит/сек, и как в том числе и тут словить кару.

Внимание: в статье несколько хайрез фоток и видео, много тех терминов и лютого DIY, возможен взрыв мозга! 

Начнём с пациента:

Что это на фото?

1. Белая плата - мозги: FPGA плата на базе Artix-7 от Xilinx, подключена к ПК по micro USB для прошивки и отладочных логов

2. Мини плата слева сверху - FTDI, обещала "скоростную" связь с компом...

3. Синяя плата справа сверху - сам модуль скоростной камеры с пимпкой "объектива" (извиняюсь за ругательство).

4. Куча проводков от ардуины.

Требовалось:

Захватить видеопоток с камеры и послать на ПК как есть, без сжатия, при этом достичь максимального количества кадров в секунду.

Что за зверь, FPGA плата?

Это процессор или миникомп как "малинка"? 

Нет, но она как процессор может исполнять алгоритм, считать и управлять чем-нибудь. 

По сути FPGA это набор блоков памяти, отдельных битов памяти и простых, проще сложения, логических элементов с управляемыми связями. А связями всего этого набора можно произвольно управлять софтом по своему желанию.

Стоп, а как оно считает, исполняет алгоритм и управляет? 

А тем что специальный софт разбивает алгоритм, написанный на си подобном языке, на отдельные блоки:
массивы размещает в большие блоки памяти, 

переменные разбивает на биты и размещает в отдельные аппаратные биты, 

вычисления, даже такие простые как инкремент разбивает на сотни и тысячи логических функций, для сложных использует готовые аппаратные блоки. 

И потом всё это соединяет вполне реальными физическими связями. И работает всё это на частотах в несколько сотен мегагерц. 

По сути алгоритм превращается в реальную и очень комплексную электрическую схему. Это настолько низкоуровневое программирование, что даже "ниже" не только ассемблера, но и машинных кодов и чёрт побери перфокарт!

100-200 Мгц медленно? и зачем такой дрочь нужен если есть обычная малинка или одноплатные ПК х86 на которых винда крутится? 

Нет, это не медленно и есть задачи, где не возможно обойтись без FPGA физически.

Первая фишка: в том что это не проц, который исполняет алгоритм шаг за шагом. Это куча связанного "железа" которая исполняет весь алгоритм одновременно! Тотальное 100% распараллеливание алгоритма, даже если в нём несколько сотен тысяч строк кода! 

Это даёт возможность такой магии, как сортировка массива за ноль тактов (например, в фильтре шума).

А ещё даёт возможность самому проектировать эмуляторы старых консолей и они будут работать в точности, нет, ТАК В ТАК, так-же как и их аппаратные дедушки, даже даёт возможность сэмулировать баги, и разные аппаратные нестабильности например в звуке чип-тюна ZX-Spectrum. 

А ещё это и чудовищное быстродействие: делать расчёты на 66 Мгц быстрее чем Core i7 на 3700 МГц? запросто! Именно поэтому ASIC (FPGA с предзаказанными, не изменяемыми связями) так полюбились всеми майнерами. 

Вторая принципиально непобедимая фишка: время реакции - раз всё работает параллельно и можно реагировать с нереальной скоростью, в десятки а порой единицы наносекунд. Робототехника, автопрома и оружейка - без FPGA и ASIC (захардкоженный FPGA) никак.

Третья фишка: можно реализовать любую переферию, любой интерфейс самому при помощи исходного кода, и если ты написал сам всё с нуля, включая интерфейсы, то это 100% переносимо, ну не мечта ли? Но с большими оговорками, и можно "отстрелить себе ногу", что я и сделал в интерфейсе камеры.

Модуль камеры:

Это плата модуля камеры: сверху чёрный цилиндр объектива, под ним чип сенсора который собственно и видит со всей логикой, который установлен на плате, два стабилизатора питания и разъём 40 контактный.

Камера: 

5 мегапикселей.

"Объектив" полное гавно: мылит даже на VGA разрешении, света собирает мало, не настраивается фокус. Но для отладки пойдёт.

Чип сенсора выдаёт RAW формат как в профессиональных фотокамерах, 

Интерфейс параллельный MIPI, он примитивный: каждый такт синхросигнала выдаёт 12 бит данных пикселя, с парой статусных сигналов "конец строки" и "конец кадра".

Для настройки юзает двух проводной I2C.

Коннектор - 40 пиновый, двухрядный с шагом 2.56мм, как в старых жестяках.

Казалось бы всё просто особенно для FPGA...

"Отстрел ноги"

Но чтоб достичь максимальной скорости надо выдать камере максимальную частоту в ~100Мгц (а с гармониками до гигагерца), от которой камера и тактируется, которая в свою очередь даёт обратно FPGA с сырыми данными изображения. 

А это очень быстро, даже слишком быстро и было наивно с моей стороны надеется, что можно отдельными проводками соединить и ничего за это не будет...

Будет!

Во первых: в стародавние времена, когда у жестяков был широченный ParallelATA 40 пиновый коннектор и такой же шлейф, то этот 40 жильный шлейф работал только до частот 30-60МГц, а далее уже нужно было использовать особый магический 80 жильный шлейф. И это не спроста: на таких частотах взаимные наводки очень сильно влияют и портят сигнал. Но в этой связке его использовать нельзя т.к. на основной FPGA плате нет такого же 40пинового разъёма, а мудаки из Xilinx ради маркетинга (ну и чтоб продавать только их доп платки по конской наценке) и несовместимости запилили 4 группы по 12 контактов в два ряда.

Во вторых: длинна ардуино-проводов разная да и на самой плате очень сильно различается длинна дорожек, а это критично на таких скорстях и если даже не из за скорости света то из за разной индуктивности - которая усиливает взимные наводки, разносит их по разным фазам ещё сильнее и превращает сигнал в "кашу".

В третьих: маркетологи посчитали что при помощи платы "всего" за 100 баксов нельзя давать заниматься серьёзными вещами. И поэтому два из четырёх 12 контактных коннекторов GPIO подключили через много килоомные резисторы тем самым зарезав частоту и "завалив форнты" (когда тактовая нарастает не слишком быстро чип камеры, из за шумов может не понять время переключение, это было одно или несколько).

Не делайте так! Не надо пытаться ардуино-проводками подключать такие быстрые (свыше 30 МГц и многобитные интерфейсы)

Попытки профиксить и прочие бесполезные трепыхания 

1. Тактовая пикселей MIPI что выходит из камеры оказалась в разы шумнее: это тактовая из FPGA которая набрала по пути до камеры шумы, а потом вернулась из камеры в FPGA набрав ещё шумов на обратном пути. Пришлось затактироваться внутренней частотой внутри FPGA что генерится и выдаётся наружу. 

Фейл: чип камеры при каждом старте настраивается чуток поразному и поэтому выходящяя из него тактовая тоже на пару наносекунд то отстаёт то опережает. 

Адский Костыль: Нужно вручную подстраивать каждый раз при каждом включении задержку.

2. Фейл: Взаимные шумы: так как лежит на первой картинке (плата связи рядом с платой камеры) не работает! В линке с ПК проскакивают лишние байты или он теряет байты. 

Адский Костыль:  

приходится буквально на пару сантиметров отгибать в сторону камеру вот так:

3. Мини Фейл: Ардуино проводки - они норовят отскачить при любом неосторожном движении любой платы! Это, просто, очень и очень не удобно, надо ОЧЕНЬ аккуратно всё двигать. 

Костыль: расковырял иголкой разъём чтоб лучше держалось ... помогло мало но вроде помогло.

4. Связь с ПК при помощи модуля FTDI2232H оказалось не настолько крутой как её рекламировала фирма.

Фейл: скорость вместо 480 мегабит оказалась всего в 100 мегабит, т.к. внутри ФТДИхи два канала и они прибиты гвоздями, уже 240мегабит, USB не умеет в 100% пропускной, уже 200Мегабит, а чип не сразу видит такт записи а через пол дополнительного такта: вот тебе и 100 мегабит. Дрочиться собирать из двух каналов один не стал - драйвер фтди перемашивает рандомно. Дрочь.

5. так же производитель камеры обманул: вместо 150 фпс оказалось 128 фпс, сам сенсор оказался очень тёмным на такой скорости.

Дополнительно было сделано

Т.к. камера выдаёт сырой рав-поток как в проф камерах, то его надо обрабатывать как это делают тулзы цифровой проявки такие как Adobe Light room.

Для этого запилил на верилоге свой видеопроц:

в нём и MIPI приёмник, и свой i2c контроллер и такие страшные слова как баланс белого, гамма-коррекция, коррекция дин. диапазона, шумодав (где сортируется за 0 тактов в медианном фильтре), ресайз, усиление и коррекция цветов.

схемка для пущего устрашения (to NN это выход в фтди, и спойлер темы будущей статьи ;):

Итог и что получилось сделать:

Оно заработало:

слева рендеринг на ПК при помощи OpenCV, 

справа отладочная консоль в формате VT100 с цветами и свистелко-перделками (реализованный аппаратно на FPGA при помощи той же логики и такой-то матери), да я люблю красиво, дорого и богато.

В первую секунду видна первичная инициализация и пуск камеры с логом адресов и значений команд записи.

Далее я ручками, посылаю текстовые команды в FPGA (лексический интерпретатор команд тоже сам сделал, тоже на логике) и настраиваю яркость и чёртову фазу сигналов, видно что после подстройки фазы обильный "розовый снег" исчезает.

После я машу перед камерой древним смартом с настроечной таблицей цветов.

косяки: 

1. т.к. по скорости FTDI подвела то только 64 кадра в сек, в среднем каждый второй пропускается.

2. есть местами мусор в виде снега и цветных кластеров (показаны красными стрелочками)

3. сам модуль камеры на такой скорости оказалось лютым гавном, мутная, и шумов много т.к. ISO задран к небесам.

Использованные ресурсы чипа:

Ушло примерно 200 часов моего времени на разработку, из них 150 на видео проц (raw --> rgb).

Вывод: 

Не делайте так! Не надо пытаться ардуино-проводками подключать такие быстрые (свыше 30 МГц и многобитные интерфейсы). Именно поэтому профессионалы порой недолюбливают ардуинщиков за такие дикие сопли с ардуино-проводками. 

А отладить камеру и ip-корку (аппаратная либа) видеопроца я всё-таки смог. Благо сам алгоритм разработал и верифицировал формально и математически, а на FPGA только проверил, что оно в принципе работает и понял что надо копать в сторону само синхронных синфазных LVDS гигабитных интерфейсов без тактовой и всего этого дроча с шумами.

На этом всё, вот в завершение фотка с топологией чипа (светлосиним заюзанные аппаратные ячейки), зачем? незнай, просто красивый город как из сим-сити вышел.

Unusual Phenomenon (another series done for fun, inspired by H. P. Lovecraft) by Michael Kenji

the call

the Inquisitor

the Butler

the Girl in Garden

the Princess

the Bishop