Neues Verfahren und FPGA zur Kompression von industriellen Datenströmen

Verfahren, Vorrichtung und Computerprogrammprodukt zum Komprimieren eines Eingangsdatensatzes, z.B. industrieller Kameradaten. Datenkompression mittels adaptiven Unterabtastens.

FPGA (Field Programmable Gate Arrays) sind integrierte Schaltkreise in der Digitaltechnik, die für verschiedenste Aufgaben konfiguriert werden können. Um diese Aufgabe in einer Prozesslinie zu übernehmen, wird das FPGA als Modul in die Hardware (z.B. einer hochauflösenden Kamera) integriert und die datenverarbeitende Software darauf angepasst.

In der industriellen Datenverarbeitung werden immer größere Datentransferraten benötigt, gängiger Standard ist Gigabit-Ethernet. Bei diesem Standard sind maximale Datenübertragungsraten von 1.000 Megabit pro Sekunde möglich, die Rohdaten moderner bildgebender Verfahren überschreiten diese Rate jedoch oft. Verbindungen mit höheren Geschwindigkeiten sind mit hohen Investitionskosten verbunden, da neben dem Übertragungsprotokoll die gesamte Hardware geeignet angepasst werden muss.

Das IPVS (Institut für Parallele und Verteilte Systeme) der Universität Stuttgart besitzt langjährige Erfahrung auf diesem Gebiet und hat eine kombinierte Software- und Hardwarelösung für das Problem entwickelt.

Das neue Verfahren ermöglicht die nahezu verlustfreie Komprimierung jeglicher industrieller Datenströme. Eigens entwickelte und genau auf den benötigten Anwendungszweck abgestimmte Hardwareschaltungen (FPGA) werden vor dem Datentransfer eingesetzt und komprimieren die Daten direkt an der Quelle. Dadurch können große Datenströme im System versendet und verarbeitet werden, ohne die Datenqualität einzuschränken.

Die technische Umsetzung erfolgt in folgenden Schritten:

1. Decodierung der Daten im verlustbehafteten Encoder
2. Subtraktion von den Originaldaten
3. Ortsselektive Encodierung der Differenz (wahlweise verlustlos oder verlustbehaftet)

• Die Komprimierung der Daten findet direkt an der Quelle statt
• Bessere Kompressionsrate als bisherige Verfahren
• Keine teure Aufrüstung der gesamten Systemhardware notwendig, nur die Addition eines FPGA an der Quelle oder rein als Softwarelösung
• Geringer Rechenaufwand
• Keine Artefakte, kein Datenverlust
• Für jeden Codec anwendbar

Industrielle Prozessketten, bei denen hohe Datenströme anfallen, bspw.:

• Hochauflösende Kamerasysteme
• Qualitätskontrolle durch bildgebende Verfahren
• Videoübertragung
• Audioübertragung
• Detektionssensorik
• Condition Monitoring

Z. Wang, S. Simon, Y. Baroud and S. M. Najmabadi, "Visually lossless image compression extension for JPEG based on just-noticeable distortion evaluation," 2015 International Conference on Systems, Signals and Image Processing (IWSSIP), 2015, pp. 237-240, doi: 10.1109/IWSSIP.2015.7314220. (https://ieeexplore.ieee.org/document/7314220)