ระบบวิชั่นหนึ่งสามารถรองรับกล้องอุตสาหกรรมได้กี่ตัวในระบบ?

ในระบบวิชั่นสมัยใหม่ การกำหนดจำนวนกล้องที่โฮสต์เดี่ยว (เช่น คอมพิวเตอร์หรือเซิร์ฟเวอร์) สามารถรองรับได้เป็นคำถามสำคัญสำหรับการออกแบบระบบ ความสามารถในการขยาย และการเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุน คำตอบขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการที่เกี่ยวข้องกัน เช่น ความสามารถของฮาร์ดแวร์ ความมีประสิทธิภาพของซอฟต์แวร์ ข้อมูลจำเพาะของกล้องอุตสาหกรรม และข้อกำหนดของการใช้งาน บทความนี้จะสำรวจตัวแปรสำคัญเหล่านี้และนำเสนอกรอบแนวคิดสำหรับการประเมินศักยภาพของกล้องในระบบวิชั่น

1. องค์ประกอบฮาร์ดแวร์และการส่งผลกระทบ

ฮาร์ดแวร์ของโฮสต์เป็นรากฐานของการสนับสนุนกล้อง โดยมีสองด้านหลักที่มีบทบาทสำคัญ

1.1 หน่วยประมวลผล: CPU และ GPU

หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ดูแลงานประมวลผลภาพหลากหลายตั้งแต่งานกรองพื้นฐานไปจนถึงการอนุมานการเรียนรู้ของเครื่องที่ซับซ้อน การใช้งานกล้องความละเอียดสูงหรือเฟรมเรตสูงจะสร้างปริมาณข้อมูลขนาดใหญ่ ส่งผลกระทบต่อ CPU หน่วยประมวลผลหลายแกน เช่น Intel i9 หรือ AMD Threadripper สามารถกระจายงานไปยังแกนต่างๆ เพื่อการประมวลผลแบบขนาน ในทางกลับกัน GPU ได้ปฏิวัติระบบวิชั่นโดยการเร่งการคำนวณแบบขนาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานเช่น วิชั่น 3D และการเรียนรู้ลึกสำหรับรถยนต์ไร้คนขับ การใช้งานกล้องที่บูรณาการกับท่อส่งข้อมูลที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับ GPU เช่น CUDA ใน NVIDIA GPUs จะลดภาระจาก CPU และอาจเพิ่มจำนวนกล้องที่รองรับได้เป็นสามเท่า

1.2 พื้นที่เก็บข้อมูล หน่วยความจำ และ I/O

แรมที่เพียงพอเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการบัฟเฟอร์สตรีมวิดีโอและการประมวลผลข้อมูล กล้องความละเอียด 4K ที่ 30 FPS จะสร้างข้อมูลที่ยังไม่ถูกบีบอัดประมาณ 300 MB/s ส่งผลให้ต้องใช้หน่วยความจำมากขึ้นในระบบกล้องหลายตัว สำหรับกล้องความละเอียดสูง ควรจัดสรรแรมอย่างน้อย 4–8 GB ต่อกล้อง นอกจากนี้ การเก็บข้อมูลความเร็วสูง เช่น NVMe SSD และอินเทอร์เฟซ I/O ที่แข็งแรง เช่น USB 3.2 และ PCIe เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการรับและเก็บข้อมูล อินเทอร์เฟซเก่าอาจจำกัดความสามารถในการขยายของระบบอย่างรุนแรง

2. อุตสาหกรรม ข้อมูลจำเพาะของกล้อง

พารามิเตอร์ของกล้องอุตสาหกรรมมีอิทธิพลโดยตรงต่อบรรทุกของระบบโฮสต์ โดยมีปัจจัยหลักสองประการดังนี้

2.1 ความละเอียดและความถี่ของเฟรม

ความละเอียดสูงและอัตราเฟรมที่มากขึ้นหมายถึงข้อมูลที่ต้องประมวลผลมากขึ้น เครื่องกล้องความละเอียด 4K จะสร้างพิกเซลได้มากกว่ากล้องความละเอียด 1080p สี่เท่า ซึ่งเพิ่มความต้องการในการประมวลผลอย่างมาก เช่นเดียวกัน กล้องที่มีอัตราเฟรม 120 FPS จะสร้างข้อมูลมากกว่ากล้อง 30 FPS สี่เท่า ในงานถ่ายทอดสดกีฬา มักใช้กล้องที่มีความละเอียดสูงและอัตราเฟรมสูง แต่จะทำให้มีภาระหนักมากสำหรับระบบโฮสต์ จำเป็นต้องใช้ฮาร์ดแวร์ที่ทรงพลังเพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียคุณภาพ

2.2 การบีบอัดและการเชื่อมต่อ

การเลือกฟอร์แมตการบีบอัดส่งผลกระทบต่อขนาดของข้อมูลและความซับซ้อนของการประมวลผล ฟอร์แมตที่ถูกบีบอัด เช่น H.264 ช่วยลดแบนด์วิดท์ แต่จำเป็นต้องถอดรหัสบนระบบโฮสต์ ฟอร์แมตที่ไม่ถูกบีบอัดให้คุณภาพที่สูงกว่า แต่ใช้ทรัพยากรมากกว่า นอกจากนี้ประเภทของการเชื่อมต่อของกล้องมีความสำคัญ การเชื่อมต่อความเร็วสูง เช่น GigE Vision และ CoaXPress ช่วยให้การโอนถ่ายข้อมูลมีประสิทธิภาพในกรณีที่ใช้งานกล้องหลายตัว ในขณะที่การเชื่อมต่อแบบเก่า เช่น USB 2.0 จะจำกัดความสามารถในการขยายเพราะแบนด์วิดท์ที่จำกัด

3. ซอฟต์แวร์และกระบวนการประมวลผล

ประสิทธิภาพของซอฟต์แวร์มีความสำคัญเท่าเทียมกัน โดยสองพื้นที่นี้เป็นปัจจัยหลักสำหรับประสิทธิภาพของระบบ

3.1 ระบบปฏิบัติการและเครื่องมือซอฟต์แวร์

ระบบปฏิบัติการและการ์ดไดรเวอร์เป็นรากฐานของซอฟต์แวร์ ระบบปฏิบัติการแบบเรียลไทม์ (RTOS) ช่วยลดความหน่วง เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันเช่น การควบคุมหุ่นยนต์ ระบบ Linux เป็นที่นิยมเนื่องจากมีการสนับสนุนแบบโอเพนซอร์ส ไดรเวอร์ที่ปรับแต่งแล้วช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของฮาร์ดแวร์ ซอฟต์แวร์วิชั่นและไลบรารี เช่น OpenCV, MATLAB และเฟรมเวิร์กการเรียนรู้เชิงลึกอย่าง TensorFlow และ PyTorch มีประสิทธิภาพในการคำนวณแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น โฮสต์ที่ทำงานโดยใช้โมเดล YOLO แบบ GPU-accelerated อาจรองรับกล้องน้อยกว่าเมื่อเทียบกับการใช้การตรวจจับขอบพื้นฐาน เนื่องจากความซับซ้อนที่มากขึ้น

3.2 การทำงานหลายเธรดและการปรับแต่ง

การใช้งานหลายเส้นทาง (multithreading) และการประมวลผลขนาน (parallelization) อย่างมีประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ การประมวลผลแบบหลายเส้นทางช่วยให้สามารถทำงานได้อย่างพร้อมกันบนแกนซีพียู ในขณะที่การประมวลผลขนานใช้จีพียูสำหรับการประมวลผลข้อมูล เทคโนโลยี เช่น OpenMP และ CUDA มอบกรอบการทำงานสำหรับการนำไปใช้งาน ในระบบเฝ้าระวังด้วยกล้องหลายตัว OpenMP สามารถกระจายการประมวลผลสัญญาณจากกล้องไปยังแกนซีพียู และ CUDA สามารถเร่งการวิเคราะห์ภาพบนจีพียู ทำให้สามารถรองรับกล้องได้มากขึ้น

4. ข้อกำหนดของแอปพลิเคชัน

ความซับซ้อนของการทำงานด้านวิชั่นจะกำหนดการจัดสรรทรัพยากร โดยมีความเรียลไทม์และความซับซ้อนของการประมวลผลเป็นตัวแปรหลัก

4.1 การประมวลผลแบบเรียลไทม์และแบบออฟไลน์

แอปพลิเคชันแบบเรียลไทม์ เช่น การขับขี่อัตโนมัติและการอัตโนมัติในอุตสาหกรรม ต้องการการประมวลผลทันทีด้วยความหน่วงต่ำ ส่งผลให้จำกัดจำนวนกล้องที่โฮสต์สามารถรองรับได้ การประมวลผลแบบออฟไลน์ เช่น การวิเคราะห์วิดีโอบาทช์ สามารถรองรับกล้องได้มากกว่าแต่มีผลลัพธ์ที่ล่าช้า

4.2 ความซับซ้อนของการประมวลผล

งานง่ายๆ เช่น การตรวจจับการเคลื่อนที่สร้างภาระการคำนวณต่ำ ทำให้โฮสต์สามารถรองรับกล้องได้มากขึ้น งานที่ซับซ้อน เช่น การสร้างแบบจำลอง 3D หรือการจำแนกใบหน้าขั้นสูงต้องใช้ทรัพยากรจำนวนมาก ลดจำนวนกล้องที่รองรับได้ ตัวอย่างเช่น โฮสต์อาจรองรับกล้อง 10 ตัวสำหรับการตรวจจับการเคลื่อนที่ แต่รองรับเพียง 3 ตัวสำหรับการประมาณค่าความลึก 3D ในเวลาจริง

5. กรอบการทำงานในการประมาณค่า

ใช้ขั้นตอนดังต่อไปนี้เพื่อประเมินศักยภาพของกล้อง:

กำหนดพารามิเตอร์ของกล้อง: ความละเอียด อัตราเฟรม การบีบอัด และอินเทอร์เฟซ

คำนวณปริมาณข้อมูลที่ผ่านเข้า-ออก:  อัตราข้อมูลที่ไม่ถูกบีบอัด = ความละเอียด × อัตราเฟรม × ความลึกของบิต / 8 (ตัวอย่างเช่น 1080p ที่ 30 FPS = 1920×1080×30×24 / 8 = ~1.4 GB/s).

ประเมินข้อจำกัดของฮาร์ดแวร์: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าพลังการประมวลผลของ CPU/GPU ≥ ปริมาณข้อมูลทั้งหมดที่ผ่านเข้า-ออก × ปัจจัยภาระการประมวลผล (2–5× สำหรับงานที่ซับซ้อน)

ทดสอบด้วยต้นแบบ: ใช้เครื่องมือเปรียบเทียบมาตรฐาน (เช่น Intel VTune, NVIDIA Nsight) เพื่อวัดการใช้งานทรัพยากรสำหรับกล้องเดี่ยว จากนั้นปรับขยายแบบเส้นตรง (พร้อมปรับตามผลได้หรือเสียจากการทำงานขนาน)

สรุป

จำนวนกล้องที่โฮสต์สามารถรองรับได้ในระบบวิชั่นไม่ใช่ตัวเลขที่แน่นอน แต่เป็นความสมดุลระหว่างความสามารถของฮาร์ดแวร์ สเปกของกล้อง การปรับแต่งซอฟต์แวร์ และความซับซ้อนของงาน สำหรับระบบส่วนใหญ่ การเริ่มต้นด้วยต้นแบบและค่อยๆ ขยายขึ้นขณะตรวจสอบการใช้งานทรัพยากรเป็นวิธีที่น่าเชื่อถือที่สุด เมื่อฮาร์ดแวร์ (เช่น กราฟิกการ์ดที่เร็วขึ้น เครื่องเร่ง AI) และซอฟต์แวร์ (เช่น เฟรมเวิร์คการคำนวณบนเอดจ์) พัฒนาอย่างรวดเร็ว ความสามารถในการรองรับกล้องจำนวนมากขึ้นด้วยประสิทธิภาพที่สูงขึ้นจะเพิ่มขึ้น การพัฒนานี้จะเปิดโอกาสให้มีการสร้างโซลูชันวิชั่นที่ซับซ้อนและปรับขนาดได้มากขึ้น เปิดประตูสู่ความเป็นไปได้ใหม่ๆ ในหลากหลายอุตสาหกรรม ตั้งแต่การดูแลสุขภาพและการขนส่ง ไปจนถึงความปลอดภัยและความบันเทิง

บทความนี้ให้ความเข้าใจพื้นฐานสำหรับสถาปนิกระบบและวิศวกร โดยเน้นถึงความจำเป็นของการทดสอบและการปรับแต่งที่เหมาะสมเพื่อตอบสนองต่อความต้องการเฉพาะของแอปพลิเคชัน ด้วยการพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับปัจจัยทั้งหมดที่เกี่ยวข้อง สามารถออกแบบระบบวิชั่นที่มีประสิทธิภาพและสามารถจัดการกับความต้องการที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ของแอปพลิเคชันสมัยใหม่ได้