高性能DSP的嵌入式視覺(jué)應(yīng)用:借機(jī)器一雙慧眼

　　摘要：嵌入式視覺(jué)被評(píng)為十大改變2012年消費(fèi)電子市場(chǎng)的技術(shù)之一，根據(jù)IMS Research預(yù)計(jì)，到2015年，將有35億電子系統(tǒng)有視覺(jué)能力。本文分析了用ADI的DSP實(shí)現(xiàn)嵌入式視覺(jué)的部分應(yīng)用案例。

　　《泰坦尼克號(hào)》3D版在全球熱播。時(shí)隔15年，這段凄美故事仍然叫人唏噓。泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)原因雖然還存在著許多分歧，但撞上冰山的事實(shí)卻是肯定的。關(guān)于泰坦尼克號(hào)撞擊冰山的原因最終歸結(jié)到，船員因未能找到望遠(yuǎn)鏡(因?yàn)楫?dāng)時(shí)船上唯一的一副雙筒望遠(yuǎn)鏡被二副鎖在了柜子里，而那位保管柜子鑰匙的二副最后并沒(méi)有上船)，瞭望員不得不用肉眼觀測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)冰山時(shí)，為時(shí)已晚。

　　肉眼的觀察能力是有限的，千百年來(lái)人們一直在通過(guò)各種途徑來(lái)彌補(bǔ)或替代肉眼的缺陷。隨著科技的進(jìn)步，這類工具從原先單純的視覺(jué)模擬功能逐漸加入了更多的智能處理功能。例如，在智能安防監(jiān)控領(lǐng)域，監(jiān)控設(shè)備除了替代人眼提供7×24小時(shí)全天候、不眨眼的視頻錄像外，還可以提供對(duì)特殊事件預(yù)警或該類事件發(fā)生時(shí)提高錄像清晰度等功能;在汽車領(lǐng)域，當(dāng)您以高速度在公路上行駛時(shí)而忽視了前方進(jìn)城限速的標(biāo)志，這時(shí)候汽車中的另一雙“眼睛”就會(huì)發(fā)出警告提醒您限速行駛……

　　類似的應(yīng)用正在以“嵌入式視覺(jué)”的概念迅速走入我們的生活，受到越來(lái)越多的關(guān)注。在2012年初的拉斯維加斯國(guó)際消費(fèi)電子展(CES)上，嵌入式視覺(jué)被評(píng)為十大改變今年消費(fèi)電子市場(chǎng)的技術(shù)之一。根據(jù)IMS Research預(yù)計(jì)，到2015年，將有35億電子系統(tǒng)有視覺(jué)能力，包括智能手機(jī)、電視和汽車駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)等。

　　嵌入式視覺(jué)應(yīng)用的“前世今生”

　　其實(shí)，“嵌入式視覺(jué)”這個(gè)概念的提出并不久，但類似的應(yīng)用已經(jīng)在很多行業(yè)走過(guò)若干年的研發(fā)、應(yīng)用歷程，包括智能視頻監(jiān)控、生物識(shí)別、智能機(jī)器人、工業(yè)及醫(yī)療行業(yè)的機(jī)器視覺(jué)，以及目前在汽車行業(yè)極受關(guān)注的ADAS，等等。

　　ADI 是業(yè)界對(duì)嵌入式視覺(jué)的技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用走在前列的半導(dǎo)體公司之一，ADI認(rèn)為對(duì)于當(dāng)今和很多未來(lái)的工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)電子視覺(jué)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，提供能夠使產(chǎn)品“看見(jiàn)”并做出響應(yīng)的元器件至關(guān)重要。為此，ADI提供了多種嵌入式視覺(jué)信號(hào)鏈器件，例如數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、編/解碼器、HDMI收發(fā)器、放大器和特殊電源管理 IC，使部署各種各樣的視覺(jué)應(yīng)用變得極其便利。特別是Blackfin器件在早期的“嵌入式視覺(jué)”應(yīng)用中有廣泛的應(yīng)用，下面是四個(gè)具有代表性的早期“嵌入式視覺(jué)”應(yīng)用成功案例?！　?/p>

 

　?、绷昵暗牡聡?guó)Aglaia GmbH 公司開(kāi)發(fā)上市汽車駕駛員輔助視覺(jué)傳感器系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)電子眼方案由硬件和軟件組成(核心處理器采用了雙核Blackfin ADSP BF561)，模仿人類從眼球(圖像捕捉)到大腦(圖像分析和闡釋)的視覺(jué)系統(tǒng)。Aglaia的系統(tǒng)能夠通知駕駛員前方的交通標(biāo)志，對(duì)潛在的交通沖突發(fā)出警告，自動(dòng)限速，當(dāng)駕駛員駛出車道線時(shí)發(fā)出警告。該系統(tǒng)甚至可以提供“疲勞分析”幫助駕駛員避免碰撞。

　?、惨曈X(jué)輔助技術(shù)的領(lǐng)先公司 Enhanced Vision(EV)為增長(zhǎng)迅速的視力受損群體提供先進(jìn)的技術(shù)解決方案，選擇了Blackfin BF561處理器用于其最新一代的電子低視力輔助設(shè)備，那些視力受損群體可以借助這一技術(shù)在家中或者在購(gòu)買食物或藥品時(shí)實(shí)現(xiàn)生活自理。

　?、稠n國(guó)首爾的Qritek公司利用其新型IRIBIO鼠標(biāo)生物識(shí)別系統(tǒng)可以幫助您“密切注視”——該系統(tǒng)使用微型照相機(jī)與嵌入式虹膜認(rèn)證引擎電路板，非常方便地安裝在計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)中，嵌入在鼠標(biāo)內(nèi)部的軟件利用用戶特有的虹膜模式作為口令處理認(rèn)證，注冊(cè)和認(rèn)證數(shù)據(jù)也安全地存儲(chǔ)在鼠標(biāo)內(nèi)部，與PC機(jī)分開(kāi)，避免來(lái)自黑客的威脅。

　?、茨暇┬罗忍炜萍脊九c香港大學(xué)合作開(kāi)發(fā)出智能、自主的視頻分析設(shè)備——ThinkSmart V1，通過(guò)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、跟蹤、分類，并分析目標(biāo)的行為，實(shí)時(shí)發(fā)送預(yù)警信息。

　　正如嵌入式視覺(jué)聯(lián)盟創(chuàng)始人Jeff Bier所指出：“視覺(jué)算法對(duì)計(jì)算能力的要求非常高，而且差異甚大。”在上述的應(yīng)用中都采用了高性能的Blackfin處理器，其中又以首個(gè)高性能雙核Blackfin處理器BF561的應(yīng)用為主。視覺(jué)演算法與應(yīng)用大大地延伸了處理器性能要求的范圍，處理器的性能至關(guān)重要?！　?/p>

 

　　“在許多嵌入式系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員面臨著尺寸、功耗與成本等嚴(yán)苛的限制條件，因此，能夠以低成本與低功耗提供充分的處理能力是至關(guān)重要的。”Jeff Bier對(duì)嵌入式視覺(jué)應(yīng)用具有深刻的認(rèn)識(shí)，這樣的觀點(diǎn)也是當(dāng)前嵌入式視覺(jué)應(yīng)用的主要趨勢(shì)之一。ADI 最新推出的 Blackfin ADSP-BF609和ADSP-BF608 處理器就適時(shí)地迎合了當(dāng)前和未來(lái)嵌入式視覺(jué)應(yīng)用的這些需求趨勢(shì)，旨在以高性價(jià)比、低功耗將復(fù)雜的多功能分析技術(shù)推廣到多種級(jí)別的嵌入式視覺(jué)應(yīng)用。

　　ADSP-BF608/9為嵌入式視覺(jué)應(yīng)用帶來(lái)雙核高性能處理器

　　無(wú)論是從最初的視頻監(jiān)控應(yīng)用到汽車視覺(jué)ADAS系統(tǒng)以及各種創(chuàng)新型的嵌入式視覺(jué)應(yīng)用，最根本的要求是“視覺(jué)”——滿足需求清晰度的視頻處理。而另一方面，當(dāng)前嵌入式視覺(jué)更加注重融入智能分析特性，這對(duì)嵌入式系統(tǒng)處理器提出了更高的要求，需要更快速的視頻處理能力和更強(qiáng)大的智能運(yùn)算分析能力。

　　ADSP-BF608/9在設(shè)計(jì)之初充分考慮到這些應(yīng)用需求，針對(duì)嵌入式視覺(jué)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，并均配備一種稱為“流水線視覺(jué)處理器(PVP) ”的高性能視頻分析加速器——PVP由一組可配置的處理模塊構(gòu)成，設(shè)計(jì)用于加速多達(dá)5個(gè)并行圖像算法，從而實(shí)現(xiàn)極高的分析性能，每秒可實(shí)現(xiàn)250億次的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以完成的功能包括對(duì)象監(jiān)測(cè)、跟蹤和識(shí)別等。

　　“當(dāng)前業(yè)界在視頻分析算法上尚沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)客戶的算法千差萬(wàn)別，因此處理器需要針對(duì)客戶的不同算法提供足夠的靈活性。”ADI DSP亞太區(qū)業(yè)務(wù)經(jīng)理陸磊指出。“ADSP-BF608/9的PVP模塊提供足夠的靈活性，是一種靈活的視頻處理引擎，具體來(lái)說(shuō)，包括卷積、縮放、算數(shù)模塊等12個(gè)高性能、配置靈活的信號(hào)處理模塊，支持各種常用算法。”陸磊進(jìn)一步分享道，“視頻進(jìn)入PVP后將經(jīng)過(guò)濾波器、索菲爾邊沿檢測(cè)、極坐標(biāo)變換、邊沿分裂。以800×480分辨率的視頻圖像為例，如果這部分運(yùn)算不是在PVP而是在Blackfin中運(yùn)算，需要3個(gè)500MHz的Blackfin內(nèi)核。”

　　對(duì)于當(dāng)前的嵌入式視覺(jué)應(yīng)用，低功耗也是一個(gè)重要的特性需求。PVP的高性能不僅節(jié)省了內(nèi)核資源，提高了處理器的運(yùn)算能力，還大大降低了功耗。此外，在PVP設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了特別的優(yōu)化，可以簡(jiǎn)化對(duì)內(nèi)存存儲(chǔ)以及讀寫(xiě)，其中一個(gè)重要的好處就是低功耗，因?yàn)樘幚砥髟谧x寫(xiě)內(nèi)存的時(shí)候通常會(huì)消耗更多的功耗。

　　除了高性能PVP帶來(lái)的低功耗優(yōu)勢(shì)外，BF60x系列具有動(dòng)態(tài)電源管理，處理器可以調(diào)節(jié)不同的時(shí)鐘頻率以提供相應(yīng)的功率(例如，當(dāng)處理器的時(shí)鐘頻率降低25%時(shí)，BF608/9的功耗也會(huì)隨之降低25%)。另外，BF608/9基于一種選通時(shí)鐘內(nèi)核設(shè)計(jì)，可按照逐條指令來(lái)選擇性地切斷功能單元的電源，還支持多種針對(duì)所需 CPU 動(dòng)作極少(或根本不需要 CPU 動(dòng)作)期間的省電模式。因此，ADSP-BF608/9的低功耗特性突出，在25℃時(shí)典型功耗為400mW。

　　另外，BF608/9有豐富的外設(shè)和連接存儲(chǔ)器接口：DDR2、LPDDR、RSI(移動(dòng)存儲(chǔ)接口，支持MMC、SD、SDIO和CE-ATA)連接能力;USB2.0、以太網(wǎng)、5類串行接口、用于CMOS傳感器和LCD的ePPI;用于高速多處理的鏈路端口(Link Port)。豐富的接口為客戶的設(shè)計(jì)多樣性提供了很好的支持。

　　性價(jià)比永遠(yuǎn)是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵利器，而對(duì)于剛開(kāi)始風(fēng)生水起的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤其如此。陸磊表示：“ADI在為BF608和BF609的設(shè)定性能目標(biāo)時(shí)，注重的不僅是DSP的時(shí)鐘頻率和處理能力，還包括性能價(jià)格比、性能功耗比、性能面積比。”