Jacco Wesselius is technologiemanager en Adriaan Schipper is business developer bij Technolution.

4 July 2014

Een enkel computersysteem is vandaag de dag vaak niet meer genoeg om een taak gedaan te krijgen; vaak krijgt de gebruiker te maken met meerdere systemen – die nauwelijks met elkaar integreren. Technolution ontwierp een oplossing om dit soort uiteenlopende computersystemen te digitaliseren en met elkaar te combineren. De uitdaging was om een oplossing te bedenken die met alle verschillende situaties overweg kan.

Steeds vaker krijgen gebruikers te maken met systemen-van-systemen: verschillende computersystemen met hun specifieke functionaliteit worden aan elkaar gekoppeld voor een totaaloplossing. Een goed voorbeeld hiervan tref je aan in moderne operatiekamers. De arts gebruikt tijdens de operatie imagingsystemen zoals röntgenbeeldvorming, systemen om vitale lichaamsfuncties te bewaken en microscopen. Door deze trend is het steeds vaker nodig om de gebruikersinterfaces met elkaar te integreren, bijvoorbeeld door de informatie uit de systemen flexibel op één groot scherm te tonen.

Meestal staat de integratiegedachte bij het ontwerp van een deelsysteem echter niet hoog in het vaandel. Het verwerken van beeld- en videostromen kan daarom problemen opleveren, en de verschillende gebruikersinterfaces laten zich lastig integreren. Het resultaat: werkplekken met talloze monitoren en losse toetsenborden en een gebruiker die met zijn bureaustoel van toetsenbord naar toetsenbord rolt om het systeem-van-systemen te dresseren.

Wat het nog complexer maakt, is dat alle informatie tegenwoordig niet alleen op een centrale plek, maar eigenlijk altijd en overal beschikbaar moet zijn – ook videostromen. Een ziekenhuis zal de beelden van een operatie bijvoorbeeld live in een auditorium willen tonen. Videostromen moeten dus flexibel naar allerlei locaties verspreid kunnen worden. De eisen aan de beeldkwaliteit en de maximale vertraging verschillen van geval tot geval, maar de roep om flexibiliteit en distributie van videostromen wordt in allerlei toepassingsgebieden gedeeld.

Daartegenover staat een groeiend aanbod aan videostromen die binnenkomen in het systeem. Wie rondkijkt in een verkeerscentrale ziet een enorme hoeveelheid beelden uit de camera’s langs de weg. De beelden moeten verzameld worden en de relevante videostromen moeten vervolgens op de monitoren in de verkeerscentrale worden getoond. Tientallen beelden komen zo samen op één werkplek.

 advertorial 

8-bit Microcontrollers Still Anchor the Majority of Embedded Designs Today

They are tiny, but vitally important. The market for 8-bit microcontrollers continues to grow strongly as a key part of the drive to digitalisation, highlighted by the current chip shortages. Read more about Microchip’s 8-bit devices.

Als je met een schone lei zouden kunnen beginnen bij het combineren van systemen, zouden we standaarden kunnen hanteren voor het samenbrengen van video en interfaces. Maar in de praktijk hebben we vaak te doen met bestaande gesloten systemen zonder Api’s voor het bouwen van gecombineerde oplossingen.

Om dat probleem te ondervangen, hebben we bij Technolution SigmaXG ontwikkeld. Simpel gezegd is dit een geavanceerde 10 Gb ethernet-infrastructuur. Via het netwerk worden video, audio en andere data gecombineerd verstuurd. Systemen kunnen aan dit netwerk worden gekoppeld met behulp van SigmaXG-boxen die de gangbare videoaansluitingen ondersteunen zoals VGA, DVI, Displayport en HDMI. Door het digitaliseren van USB kunnen via de box ook muis, toetsenbord en bijvoorbeeld een geheugenstick over het netwerk worden aangesloten.

Technolution SigmXG
De SigmaXG-boxen van Technolution digitaliseren de input en output van een computersysteem, waarna deze via het netwerk verstuurd kunnen worden.

In SigmaXG vormt het netwerk de basis voor het uitwisselen van video, USB, audio en andere data. Dankzij de netwerkaanpak kan eenvoudig intelligentie worden toegevoegd door verbinding te leggen met andere systemen; denk aan het opslaan van beelden, het combineren van video uit verschillende bronnen of aan een systeem met kennis van de workflow dat ervoor zorgt dat informatie op de juiste momenten en plaatsen wordt afgebeeld.

Daarnaast bevat SigmaXG een videomixer waarmee de video-output – waaronder de gebruikersinterfaces – van meerdere apparaten samen op één scherm aangeboden kunnen worden. De mixer zorgt er ook voor dat alle muis- en toetsenbordinput op het gecombineerde scherm naar het juiste systeem wordt doorgestuurd, zodat de gebruiker vanaf één werkplek alle aangesloten apparaten kan bedienen.

Niet zo streng

Met veel deelaspecten hadden we al wel ervaring, zoals het binnenhalen van video op een FPGA, het bouwen van netwerken en het verwerken van video, maar de oplossing wierp nogal wat technische uitdagingen op. Het belangrijkste bij het combineren van systemen tot een groter geheel is om de balans te houden: generiek genoeg om in verschillende domeinen toegepast te kunnen worden, maar met voldoende kennis van de toepassingsgebieden om daar meerwaarde te kunnen bieden. Een oplossing voor de verkeersmarkt is bijvoorbeeld niet per definitie geschikt voor toepassing in een röntgensysteem voor operatiekamers.

In de operatiekamer is compressie waarbij informatie verloren gaat uit den boze. Bovendien moet video bijvoorbeeld met een minimale vertraging over het netwerk verstuurd worden; terwijl de bron bezig is om de beeldlijnen te versturen, worden deze enkele milliseconden later al op een monitor getoond. Om dit te kunnen realiseren, moeten de klokken van de videobron en monitor strak worden gesynchroniseerd. Dit moet over het netwerk, zonder dat er een fysieke klokverbinding is. Deze scherpe timing was alleen mogelijk met een oplossing in elektronica en VHDL op een FPGA.

Ook hebben we een speciale methode ontwikkeld om de gegevens te coderen op het netwerk. SigmaXG kan daardoor HD-video uit een röntgensysteem zonder compressie met zestig frames per seconde over een 1 Gb-verbinding verzenden.

In een verkeerscentrale zijn deze eisen niet zo streng, maar is er een grotere hoeveelheid videokanalen die verwerkt moeten worden en moet het systeem ook over compressiemogelijkheden beschikken. Voor dit doelgebied konden we de oplossing in software maken. Functionaliteit is daarmee doorgaans sneller te realiseren, waardoor we een Agile-ontwikkelproces konden hanteren waarin de klant betrokken is bij de eindoplossing.

Technolution Videowall
Met een videowall is de output van verschillende computersystemen eenvoudig te combineren.

Ten slotte is het natuurlijk een permanente uitdaging om performance en functionaliteit te realiseren met een kosteneffectieve architectuur. Hierbij speelt de keuze van de sleutelcomponenten een cruciale rol. Samen met leveranciers konden we componenten kiezen waarvan types beschikbaar zijn met verschillende prijzen en prestaties. Bovendien hebben we een modulaire oplossing, waarbij het netwerk aangesloten kan worden met de interfaces die voor een specifieke toepassing nodig zijn. Geen one size fits all-product dus waarbij de helft van de functionaliteit niet wordt gebruikt, maar juist toepassingsspecifieke oplossingen op basis van een breed basisplatform, waarin kennis van bijvoorbeeld videocompressiealgoritmes wordt meegenomen.

Edited by Pieter Edelman