49% VISyR : Visual Inspection System for Railway Maintenance Architettura di Calcolo 080.5963.710...
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49% 49% VISyR:Visual Inspection System for Railway Maintenance Architettura di Calcolo 080.5963.710 080.5963.410 [email protected] http://dee.poliba.it L’Architettura di Calcolo di VISyR è suddivisa in due blocchi: RD&TB e BDB. RD&TB rileva la posizione della rotaia nelle immagini riprese dal sistema di acquisizione. Tali coordinate sono utilizzate da BDB per ridurre l’area da ispezionare nella ricerca dei fermi d’attacco tramite un processo di classificazione. RD&TB e BDB sono stati implementati in hardware su due circuiti integrati (FPGA) costituenti il nucleo di VISyR. Grazie ad una strategia di “cross classificazione”, VISyR garantisce un’affidabilità superiore al 99.9% 99.9% nel rilevamento dei fermi d’attacco, e arriva a determinare meno di 5 5 “falsi positivi” ogni 10.000 10.000 “finestre” analizzate. Inoltre, sfruttando il calcolo parallelo, possibile grazie all’uso di FPGA opportunamente configurate, VISyR annulla praticamente del tutto i tempi di computazione del suo prototipo software “RailScanner”, presentando una latenza complessiva che si riduce (di fatto) a quella necessaria per la sola lettura dei dati. Gli speed-up ottenuti sono del 74% 74% per la “fase esaustiva” e del 272% 272% per la “fase a salti”. La velocità media complessiva dipende dalla distribuzione di Risultati & Prestazioni Velocità media su percorso misto [km/h] L’Algoritmo di ispezione visiva esegue ciclicamente due modalità, che chiamiamo “fase esaustiva” e “fase a salti”. Durante la prima fase, le immagini da analizzare sono lette in modo continuativo ed ispezionate esaustivamente. Appena rilevata una coppia di fermi si passa alla seconda fase, in cui le immagini vengono lette effettuando dei salti in previsione della posizione delle successive coppie di fermi. Questa fase è più performante della precedente, e procede finché si rende necessaria una nuova “fase esaustiva”. 48 x 144 pixel N N N-1 N-1 3 3 2 2 1 1 … Funzionalità del Bolt Detection Block (BDB) Funzionalità del Bolt Detection Block (BDB) a. Acquisizione Acquisizione e Memorizzazione Memorizzazione di una finestra di 48x144 48x144 pixel da cui estrarre le patch da analizzare Elaborazione Elaborazione della Patch Patch selezionata con un preprocessing al volo al volo che utilizza la Trasformata Trasformata di HAAR-2L HAAR-2L e successiva classificazione basata su Rete Rete Neurale Neurale c . Impacchettamento Impacchettamento e Spedizione Spedizione delle 650 650 classificazioni in N N Words da 64 bits d . Estrazione Estrazione delle 650 650 Patch Patch da 24x96 pixela in corrispondenza di spostamenti di due due pixel in Orizontale Orizontale e di un un pixel in Verticale Verticale b . 24 x 96 pixel +1 pixel +2 pixel Latenze misurate su percorso misto 20% “fase esaustiva” & 80% “fase a salti” VISyR (Sistema Hardware) 51% 0% 0 100 200 300 400 500 Softw are Hardware 0 1 2 3 4 5 Softw are Hardware Velocità durante la “fase esaustiva” [km/h] POLITECNICO DI BARI Architettur e Parallele & Visione Artificial e L’ispezione d'infrastrutture ferroviarie è necessaria periodicamente al fine di prevenire sciagure che avvengono, purtroppo, non di rado. Attualmente, questo monitoraggio è condotto manualmente da personale addestrato, che ricerca anomalie visibili su tratte critiche della rete ferroviaria. Tuttavia, esso, risulta lento e soggettivo. VISyR è un’Architettura di Calcolo Parallelo brevettata, che effettua tale ispezione con tecniche di Visione Artificiale in modo affidabile, completamente automatico e configurabile. L’attuale versione di VISyR permette di rilevare la presenza/assenza Xilinx Virtex-II Pro XC2VP20 Altera Stratix EP1S60 Alt era PCI Hi gh-Speed De velopme nt Kit Stratix Pr ofessional Edition Dalsa Coreco Ana con da CL/1 8 Byte 8 Byte Funzionalità del Rail Detection & Tracking Block Funzionalità del Rail Detection & Tracking Block (RD&TB) (RD&TB) a. Acquisizione Acquisizione e Memorizzazione Memorizzazione di una riga di 801 pixel, centrata centrata sulla posizione della rotaia al passo precedente Elaborazione Elaborazione della Patch Patch selezionata con un preprocessing che utilizza la Singolar Value Singolar Value Decomposition Decomposition e con una successiva classificazione basata su Rete Neurale Rete Neurale c . Impacchettamento Impacchettamento e Spedizione Spedizione delle 401 401 classificazioni in N N Words da 64 bits d . Estrazione Estrazione di 401 patch da 401x1 pixel in corrispondenza di spostamenti di un un pixel a partire dal centro verso il bordo immagine b . N N N-1 N-1 3 3 2 2 1 1 … +1 pixel 400 pixel 400 pixel posizione della rotaia al passo precedente 401 pixel Le zone colorate denotano le risorse effettivamente usate dalle architetture Questa ricerca è stata svolta nell’ambito del Finanziamento PON 2002-2006 “Railsafe”, in collaborazione con la Sede di Bari dell’Istituto CNR di Studi sui Sistemi Intelligenti per l’Automazione. di fermi d'attacco, ispezionando tratte di rete ferroviaria ad una velocità media di oltre 160 km/h 160 km/h, con punte superiori ai 450 km/h 450 km/h. È allo studio una estensione del sistema VISyR che possa espletare anche l’analisi di alcuni difetti superficiali della rotaia. 8 Byte 8 Byte 8 Byte 8 Byte 8 Byte 8 Byte Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica Responsabili: Prof. Ing. Francescomaria Marino (Politecnico di Bari), Dr. Ettore Stella (CNR) Collaboratori: Ing. Pasquale de Ruvo, Ing. Gianluigi de Ruvo 272% 74% 0 30 60 90 120 150 180 Software Hardware Velocità durante la “fase a salti” [km/h] Lettura Dati: Lettura Dati: Calcolo: Calcolo: RailScanner (Prototipo Software) 103%
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49%
49%
VISyR:Visual Inspection System for Railway Maintenance
Architettura di Calcolo
080.5963.710 080.5963.410 [email protected] http://dee.poliba.it/marino
L’Architettura di Calcolo di VISyR è suddivisa in due blocchi: RD&TB e BDB.RD&TB rileva la posizione della rotaia nelle immagini riprese dal sistema di acquisizione.Tali coordinate sono utilizzate da BDB per ridurre l’area da ispezionare nella ricerca dei fermi d’attacco tramite un processo di classificazione. RD&TB e BDB sono stati implementati in hardware su due circuiti integrati (FPGA) costituenti il nucleo di VISyR.
Grazie ad una strategia di “cross classificazione”, VISyR garantisce un’affidabilità superiore al 99.9%99.9% nel rilevamento dei fermi d’attacco, e arriva a determinare meno di 55 “falsi positivi” ogni 10.00010.000 “finestre” analizzate. Inoltre, sfruttando il calcolo parallelo, possibile grazie all’uso di FPGA opportunamente configurate, VISyR annulla praticamente del tutto i tempi di computazione del suo prototipo software “RailScanner”, presentando una latenza complessiva che si riduce (di fatto) a quella necessaria per la sola lettura dei dati. Gli speed-up ottenuti sono del 74%74% per la “fase esaustiva” e del 272%272% per la “fase a salti”. La velocità media complessiva dipende dalla distribuzione di queste fasi. Nei casi testati, essa supera i 160 km/h160 km/h con uno speed-up intorno al 100%100%.
Risultati & Prestazioni
Velo
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L’Algoritmo di ispezione visiva esegue ciclicamente due modalità, che chiamiamo “fase esaustiva” e “fase a salti”. Durante la prima fase, le immagini da analizzare sono lette in modo continuativo ed ispezionate esaustivamente. Appena rilevata una coppia di fermi si passa alla seconda fase, in cui le immagini vengono lette effettuando dei salti in previsione della posizione delle successive coppie di fermi. Questa fase è più performante della precedente, e procede finché si rende necessaria una nuova “fase esaustiva”.
48 x 144 pixelNNN-1N-1332211 ……
Funzionalità del Bolt Detection Block (BDB)Funzionalità del Bolt Detection Block (BDB)
a. Acquisizione Acquisizione e Memorizzazione Memorizzazione di una finestra di 48x144 48x144 pixel da cui estrarre le patch da analizzare
Elaborazione Elaborazione della PatchPatch selezionata con un preprocessing al voloal volo che utilizza la Trasformata Trasformata di HAAR-2L HAAR-2L e successiva classificazione basata su Rete Rete NeuraleNeurale
c.
Impacchettamento Impacchettamento e Spedizione Spedizione delle 650650 classificazioni in N N Words da 64 bits
d.
EstrazioneEstrazione delle 650650 PatchPatch da 24x96 pixela in corrispondenza di spostamenti di duedue pixel in OrizontaleOrizontale e di un un pixel in VerticaleVerticale
b.
24 x 96 pixel
+1 pixel
+2 pixel
Latenze misurate su percorso misto 20% “fase esaustiva” & 80% “fase a
salti”
VISyR (Sistema Hardware)
51%
0%
0
100
200
300
400
500
Software Hardware
0
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2
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Software Hardware
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POLITECNICO DI BARIA
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L’ispezione d'infrastrutture ferroviarie è necessaria periodicamente al fine di prevenire sciagure che avvengono, purtroppo, non di rado. Attualmente, questo monitoraggio è condotto manualmente da personale addestrato, che ricerca anomalie visibili su tratte critiche della rete ferroviaria. Tuttavia, esso, risulta lento e soggettivo.VISyR è un’Architettura di Calcolo Parallelo brevettata, che effettua tale ispezione con tecniche di Visione Artificiale in modo affidabile, completamente automatico e configurabile. L’attuale versione di VISyR permette di rilevare la presenza/assenza
Xilinx Virtex-II Pro XC2VP20
Altera Stratix EP1S60
Altera PCI H
igh-Speed
Developmen
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Professio
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n
Dalsa Corec
o Anaconda CL/1
8 Byte8 Byte
Funzionalità del Rail Detection & Tracking Block (RD&TB)Funzionalità del Rail Detection & Tracking Block (RD&TB)
a. Acquisizione Acquisizione e Memorizzazione Memorizzazione di una riga di 801 pixel, centratacentrata sulla posizione della rotaia al passo precedente
Elaborazione Elaborazione della PatchPatch selezionata con un preprocessing che utilizza la Singolar Value Singolar Value DecompositionDecomposition e con una successiva classificazione basata su Rete NeuraleRete Neurale
c.
Impacchettamento Impacchettamento e Spedizione Spedizione delle 401401 classificazioni in N N Words da 64 bits
d.EstrazioneEstrazione di 401 patch da 401x1 pixel in corrispondenza di spostamenti di unun pixel a partire dal centro verso il bordo immagine
b.
NNN-1N-1332211 ……
+1 pixel
400 pixel400 pixel
posizione della rotaia
al passo precedente
401 pixel
Le zone colorate denotano le risorse effettivamente usate dalle architetture
Questa ricerca è stata svolta nell’ambito del Finanziamento PON 2002-2006 “Railsafe”, in collaborazione con la Sede di Bari dell’Istituto CNR di Studi sui Sistemi Intelligenti per l’Automazione.
di fermi d'attacco, ispezionando tratte di rete ferroviaria ad una velocità media di oltre 160 km/h160 km/h, con punte superiori ai 450 km/h450 km/h. È allo studio una estensione del sistema VISyR che possa espletare anche l’analisi di alcuni difetti superficiali della rotaia.
8 Byte8 Byte 8 Byte8 Byte 8 Byte8 Byte
Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica
Responsabili: Prof. Ing. Francescomaria Marino (Politecnico di Bari), Dr. Ettore Stella (CNR)Collaboratori: Ing. Pasquale de Ruvo, Ing. Gianluigi de Ruvo
272%
74%
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30
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150
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Software Hardware
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Lettura Dati:
Lettura Dati: Calcolo:
Calcolo:
RailScanner (Prototipo Software)
103%
