camBox – FPGA accelerated Image Processing for SwissFEL

SwissFEL_BeamProfile_02Das Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen plant den Bau einer neuen Röntgenlichtquelle, der Schweizer Freie-Elektronen-Laser Swiss FEL. Dank der hohen Zeitauflösung (10-15s) sollen in Zukunft vor allem die dynamischen Prozesse in Festkörpern und Molekülen studiert werden.

Für die SwissFEL Strahldiagnostik wird ein neuartiges bildgebendes Messsystem entwickelt, kurz die ‚camBox’, welche den Elektronenstrahl mit Hilfe von 2D Kameras erfasst, die Kamerabilder lokal in Echtzeit verarbeitet, und die relevanten Strahlparameter wie z.B. Position, Breite mit minimaler Latenz an Computer im Kontrollraum schickt.

Lösung

Gemeinsam mit dem PSI wurde ein Entwicklungsplan erarbeitet und bis Phase-3 durchgeführt ():

  1.  Anforderungen & Spezifikationen  Hard- & Software, Algorithmen, Interfaces
  2. Design Studie  Evaluation von 5 Lösungsvarianten mit Ergebnis
  3. Prototyp Entwicklung mit Fokus Zeitersparnis  VME-FPGA-Plattform mit Standardkomponenten
  4. Industrialisierung mit Fokus Kostenoptimierung  Linux PC mit FPGA-Beschleuniger als Eigenentwicklung

Seit Anfang 2013 wird der von SCS entwickelte camBox Prototyp am PSI getestet. Projektstart war 2011.

Technische Eigenschaften der camBox

camBox_Design_and_FPGA-ImgPorcessing_02

Abbildung: camBox Architektur und Image Processing Pipeline

Die camBox übernimmt folgende Aufgaben:

  • Analyse der Strahlprofile von Kamerabildern mit Frameraten bis 100Hz
    • Korrektur von Bildartefakten
      • Cosmics, Salt & Pepper Noise
      • Offset- und Hintergrundlevels
      • Kamera Rotationen: ± 5°, ±90°,180°
  • Berechnung von Strahlparametern
    • Strahlprofile entlang Kameraachsen: x-Profile, y-Profile
    • Strahlposition: z.B. via Center-of-Mass (CoM) oder Brightest-Pixel
    • Strahlbreite: z.B. via Full-Width-%-Maximum (FW%M), curve fitting
  • Unterstützung Kamerainterface GigE Vision
  • Synchronisation via Event & Timing Logic von SwissFEL
  • Schnittstelle zu EPICS
camBox_AlphaData_Prototype_01

Abbildung: Hauptmodule der camBox (v.l.n.r): FPGA-Beschleuniger, Kamerainterface, VME Carrier

 

 

 

 

 

Kundenutzen

Die camBox erfasst charakteristische Parameter des SwissFEL Elektronenstrahls in Echtzeit und übermittelt diese mit kurzer Latenz zur Strahldiagnostik ins Kontrollzentrum. Diese diagnostischen Daten sind wichtige Regelparameter für das Kontrollzentrum, sowohl bei der Inbetriebnahme, der Optierung, dem Betrieb und dem Unterhalt der SwissFEL.

Weiterverwendung

Die Beschleunigung von Bildverarbeitungsprozessen mit Hilfe von FPGAs kann typischerweise da eingesetzt werden, wo die Geschwindigkeit von Multi-Core Prozessoren oder GPU Lösungen nicht ausreicht. Und: FPGA-Entwicklungen sind eine unserer Kernkompetenzen.

Ansprechsperson bei SCS
Christof Bühler

Einen Kommentar hinterlassen

* Die DSGVO-Checkbox ist ein Pflichtfeld

*

Ich stimme zu