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Embedded-Lösung für Biometrie

Qseven™ -Modul mit Multimedia-Prozessor für Imaging-Anwendungen

Das kompakte Qseven™-Modul MSC Q7-TI8168 der MSC Vertriebs GmbH integriert einen Multimedia-Prozessor von Texas Instruments (TI) mit ARM® RISC MPU und digitalem Signalprozessor (DSP). Der DSP ist besonders ausgelegt für rechenintensive Image Processing-Aufgaben. Damit ist die Embedded-Plattform für anspruchsvolle Bildanalyse- und Bildverarbeitungsanwendungen, u.a. zur Erkennung von biometrischen Daten (Iris Scan, Gesichtserkennung usw.), prädestiniert.

Standardisierte Computer-On-Module bieten Anwendern aktuelle, application-ready Prozessortechnologien und haben sich deshalb in der Embedded-Welt fest etabliert. Intel® hat mit ihrer Atom™-Prozessorserie einerseits den Low-Power-Bereich auf x86 besetzt und in den letzten Monaten mit den Intel® Core™-Prozessoren der dritten Generation mit vier oder zwei Rechenkernen den High-end-Markt für leistungshungrige Anwendungen adressiert. Realisiert werden heute diese extrem leistungsfähigen Module im etablierten COM Express™-Formfaktor. Doch eine weiter verbesserte Grafik-, Video- und Rechen-Performance ist nicht alles. Mit dem Umstieg der Steckerbelegung von Typ 2 auf Typ 6 werden in der neuen COM Express™-Spezifikation bis zu drei digitale Displayschnittstellen und schnelles USB 3.0 unterstützt. Die Verlustleistung solcher Module ist jedoch für passiv gekühlte Systeme schlichtweg zu hoch.

Die Brücke von x86- zu ARM-basierenden Module schlägt der Qseven™-Standard, der Module im kompakten Formfaktor von 70 x 70 mm definiert.  Mit der Spezifikationsversion 1.20 wird neben unterschiedlichen x86-Prozessoren auch die Strom sparende ARM/RISC-Architektur unterstützt. Damit ist die Grundlage für eine Reihe von besonders kompakten Embedded-Modulen mit unterschiedlichen Prozessoren für vielfältige Anwendungen geschaffen. Weitere Einsatzgebiete werden durch die Integration eines digitalen Signalprozessors eröffnet. DSPs können anspruchsvolle Daten- und Bildanalyseaufgaben in Echtzeit übernehmen und entlasten durch die Übernahme dieser Aufgaben den integrierten ARM-Prozessor deutlich. Der Einsatz von digitalen Signalprozessoren lohnt sich vor allem in Imaging-Anwendungen, anspruchsvollen Visualisierungs- und Media-Applikationen, z. B. in der industriellen Automatisierung, der Medizin- und Messtechnik, in den Bereichen Transportation und Sicherheitstechnik.

Eine der vielversprechenden Anwendungen für Computer-On-Module mit hoher Rechenleistung und anspruchsvoller digitaler Signalverarbeitung sind biometrische Erkennungsmethoden, die in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erlebt haben. Nur durch den technologischen Fortschritt in Bildverarbeitungs- und Bildauswertungstechnologien sind die schnelle Messungen biologischer Charakteristika und deren Auswertung mit vertretbarem Aufwand in hoher Qualität möglich. Die Grundlage biometrischer Verfahren zum computergestützten Erkennen von Menschen bilden biologische Merkmale, wie Fingerabdruck, Handabdruck, Hand- und Fingergeometrie, Gesicht, Auge (Iris und Netzhaut) und verhaltensspezifische Merkmale, wie die Stimme, typische Körperbewegungen, die Unterschrift oder der Rhythmus der Tastaturbetätigung.

Ein biometrisches Erkennungssystem integriert eine Sensorkomponente, z.B. eine Videokamera, die ein biometrisches Sample erzeugt. Mittels komplexer Algorithmen werden alle vom Sensor gelieferten Informationen ausgefiltert, die nicht die geforderten Merkmalseigenschaften erfüllen. Anschließend wird der aufgenommene biometrische Messwert (Score) mit dem gespeicherten biometrischen Referenzmuster (Template) verglichen. Das System entscheidet dann, ob die Ähnlichkeit der beiden Muster hinreichend hoch ist.

Biometrische Merkmale sind schwer zu fälschen oder zu kopieren, da sie an biologische Besonderheiten einer Person gebunden sind. Bei korrekter Zuordnung zu Referenzdaten erlauben sie eine zuverlässige Überprüfung, ob es sich um die betreffende Person handelt. Fingerabdruck-Verfahren gelten als kostengünstig und relativ sicher, während Handgeometrieverfahren aufgrund zu vieler Ähnlichkeiten bei unterschiedlichen Individuen nur eine eingeschränkte Sicherheit bieten. Verfahren zur Auswertung von Augenmerkmalen und Gesichtserkennungsverfahren werden als sehr sicher bewertet, sie sind allerdings mit einem hohen Kostenaufwand verbunden. Durch multiple Biometrie, die mehrere unterschiedliche biologische Merkmale überprüft, lässt sich eine größtmögliche Sicherheit erreichen.

Ein wichtiger Bereich für den Einsatz von Biometrie sind Identifikationssysteme zur Erkennung von Personen, vor allem für Überwachungs- und Zugangskontrollsysteme, um nur Befugten den Zutritt zu bestimmten Gebäuden, Räumlichkeiten, Geldautomaten sowie speziellen Bereichen der Informationstechnologie zu gewähren. Biometrische Verfahren finden auch bei der Dokumentenausstellung und bei der automatischen Unterschriftenprüfung im elektronischen Rechtsverkehr Anwendung. Darüber hinaus lassen sich elektronischen Wegfahrsperren für Kraftfahrzeuge genauso realisieren die Nutzung von Laptops oder geschützten Datenspeichern.

Um die anspruchsvollen Anforderungen von Bildaufnahme- und Bildverarbeitungssystemen zu erfüllen, liefert die MSC Vertriebs GmbH ihre kompakte Baugruppe MSC Q7-TI8168 nun in einer noch leistungsfähigeren Variante mit dem Digital-Media-Prozessor DaVinci DM8168 von Texas Instruments (TI). Der Prozessor integriert eine ARM® Cortex™-A8 RISC MPU (bis 1,2 GHz), den digitalen Signalprozessor (DSP) C674x Floating Point VLIW mit bis zu 8000 / 6000 MIPS / MFLPOS sowie Video- und Grafikbeschleuniger (Bild 1).

Der Digital-Media-Prozessor DaVinci verarbeitet bis zu drei HD Video-Streams mit 1080p bei 60 Bildern pro Sekunde gleichzeitig. Die in der CPU integrierte ARM Graphics Engine Neon unterstützt Video Imaging, Speech, Audio Codes und Framework. Der DSP übernimmt das rechenintensive Image Processing in Echtzeit und entlastet damit den ARM-Prozessor. TI bietet eine umfassende Softwareunterstützung für zahlreiche Aufgaben, wie digitale Filterung, komplexe mathematische Berechnungen, die Bildverarbeitung und die Image-Analyse. Damit eignet sich der Baustein ideal für mehrkanalige HD-Videoüberwachungssysteme, Videokonferenzsysteme, Medien-Hubs und -Server.

Neben CPU und DSP sind auf dem Baustein je 32 KB Instruction und Daten Cache, ein 256 KB L2 Cache, 64 KB RAM und 48 KB Boot ROM  vorhanden. Das Qseven™-Modul integriert ein 1 GB großes schnelles DDR3-1600 RAM und ein auf das Board gelöteter NAND Flash mit einer Kapazität von 2 GB.

 

 

Die Embedded-Plattform MSC Q7-TI8168 verfügt über eine HDMI / DVI-Schnittstelle mit einer Auflösung von bis zu 1920 x 1080 Bildpunkten und Single Channel LVDS 24 bit mit bis zu 1280 x 720 Pixel. Neben einem PCI Express™ x1 Port, einer Gbit Ethernet-Schnittstelle sind sechs USB 2.0-Anschlüsse (5 x Host und 1 x Client /Host), UART, SPI, HD AC97 Audio und ein Kamera-Interface vorhanden. Die Anwenderdaten können über zwei SATA II-Kanäle gespeichert werden. Der Anschluss einer Speicherkarte ist über die SD/SDIO-Schnittstelle möglich.

Das ARM®-basierende Qseven™-Modul MSC Q7-TI8168 ist in Kürze zusätzlich für den erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis + 85 °C lieferbar.

Da das Prozessormodul die umfangreiche Standard-PC-Funktionalität bereits integriert, werden nur noch die anwendungsspezifischen Funktionen auf einem speziell entwickelten Baseboard realisiert. Durch die Trennung von Standard-PC- und anwendungsspezifischen Funktionen lässt sich die Entwicklungskomplexität und das Designrisiko von Embedded-Systems deutlich reduzieren und darüber hinaus die Designzeiten wesentlich optimieren.

Das kompakte Qseven™-Modul wird über eine bewährte MXM-Verbindung einfach auf das Baseboard gesteckt. Die direkte Anbindung des Heatspreader an das Gehäuse stellt eine optimale passive Kühlung sicher. Zum Einsatz kann ein von Kunden entwickeltes Baseboard oder ein Qseven™-Baseboard von MSC kommen. Damit erspart sich der Kunde in der Regel ein aufwändiges, eigenes Design. Die leistungsfähige Standard-Embedded-Plattform lässt sich auch direkt in Produktserien einsetzen.

Zur schnellen Entwicklung von Embedded-Systemen, die das ARM®-basierende Qseven™-Modul MSC Q7-TI8168 integrieren, bietet MSC das Baseboard MSC Q7-MB-EP4 an (Bild 2). Das 148 x 102 mm kleine Mainboard stellt eine breite Auswahl an wichtigen Schnittstellen zur Verfügung wie Dual Gbit Ethernet, fünf USB 2.0 Ports (vier extern), RS-232 (Pin Header), AC97 Audio und SATA. Über einen speziellen Pin Header sind zusätzlich CAN-Signale herausgeführt. Zusätzlich ist ein ARM RS-232 Debug Port zur Linux-Softwareentwicklung vorhanden. Industrie-Displays können über den DVI-Stecker und die LVDS-Schnittstelle direkt via JILI30-Steckverbinder angeschlossen werden. Darüber hinaus integriert die Plattform einen Controller zum Anschluss eines resistiven Touchscreens und unterstützt den Anschluss eines Backlights.

Über den mSATA Slot lässt sich eine SATA-basierte Flash-Speicherkarte einstecken. Vom Kunden universell konfigurierbar ist die Plattform auch über den integrierten Steckplatz für MMC/SD-Karten. Um die Funktionen auf dem Baseboard zusätzlich erweitern zu können, z.B. für den Support von WLAN, ist ein Mini PCI Express™-Steckplatz vorhanden.

Autor: Von Wolfgang Eisenbarth, VP Marketing, Embedded Computer Technology, MSC Vertriebs GmbH

Publiziert in EMDEDDED DESIGN 2012

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