如何選擇嵌入式系統(tǒng)中的視覺處理技術(shù)

隨著功能越來越強(qiáng)大的處理器、圖像傳感器、存儲(chǔ)器和其他半導(dǎo)體器件以及相關(guān)算法的出現(xiàn)，可以在多種嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺功能，通過視頻輸入來分析周圍環(huán)境。微軟的Kinect游戲控制器和Mobileye的輔助駕駛系統(tǒng)等產(chǎn)品都非常重視嵌入式視覺技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Α＝Y(jié)果，很多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員開始思考如何實(shí)現(xiàn)嵌入式視覺功能。本文研究嵌入式視覺的發(fā)展機(jī)遇，對(duì)比實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的各種處理器選擇，介紹幫助工程師在其設(shè)計(jì)中采用視覺功能的業(yè)界聯(lián)盟。

“嵌入式視覺”這一名詞是指在嵌入式系統(tǒng)中使用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)。換句話說，“嵌入式視覺”是指從視覺輸入中提取出其背后含義的嵌入式系統(tǒng)。與過去10年中無線通信技術(shù)的流行相類似，嵌入式視覺技術(shù)有望在今后10年得到廣泛應(yīng)用。

很明顯，嵌入式視覺技術(shù)能夠?yàn)槎喾N應(yīng)用帶來巨大的價(jià)值(圖1)。兩個(gè)例子是，Mobileye基于視覺的輔助駕駛系統(tǒng)，用于幫助防止車輛事故的發(fā)生；以及MG國際公司的泳池安全系統(tǒng)，旨在防止游泳溺水。還有一些純粹的怪才發(fā)明，Intellectual Ventures的激光滅蚊槍，設(shè)計(jì)用于防止人們感染瘧疾等。

圖1.嵌入式視覺是從計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用開始的，這些應(yīng)用包括，裝配線檢查、光學(xué)字符識(shí)別、機(jī)器人技術(shù)、監(jiān)控和軍事系統(tǒng)等。但是，最近幾年，對(duì)降低成本提高性能的需求加速了這一技術(shù)在各種其他市場(chǎng)上的廣泛應(yīng)用。

正如同高速無線互聯(lián)是從高成本新奇技術(shù)起步一樣，目前為止，嵌入式視覺技術(shù)一般只用于復(fù)雜昂貴的系統(tǒng)中，例如，毛發(fā)移植的手術(shù)機(jī)器人，制造業(yè)的質(zhì)量控制檢查系統(tǒng)等。

數(shù)字集成電路的發(fā)展是高速無線技術(shù)從新奇發(fā)展到主流的關(guān)鍵因素。芯片速度足夠快，成本足夠低，能效足夠高時(shí)，高速無線技術(shù)便成為市場(chǎng)主流技術(shù)。今天，人們能夠以不到100美元的價(jià)格購買寬帶無線調(diào)制解調(diào)器。

同樣的，數(shù)字芯片技術(shù)的進(jìn)步為嵌入式視覺的大批量應(yīng)用鋪平了道路(圖2)。與無線通信相似，嵌入式視覺需要很強(qiáng)的處理能力——特別是，越來越多的應(yīng)用采用了高分辨率攝像機(jī)，開始使用多臺(tái)攝像機(jī)。以足夠低的成本實(shí)現(xiàn)這類處理能力，從而促進(jìn)大批量應(yīng)用，這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。事實(shí)是嵌入式視覺應(yīng)用需要很強(qiáng)的可編程能力，進(jìn)一步增大了這一挑戰(zhàn)的難度。在無線應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)意味著不同手機(jī)之間的基帶算法不會(huì)有太大的變化，與之相比，在嵌入式視覺應(yīng)用中，通過獨(dú)特的算法，有可能得到更好的結(jié)果——實(shí)現(xiàn)更有價(jià)值的功能。

圖2.嵌入式視覺輔助系統(tǒng)涉及到硬件、半導(dǎo)體和軟件元器件供應(yīng)商，子系統(tǒng)開發(fā)人員、系統(tǒng)集成商，以及最終用戶，還有實(shí)現(xiàn)未來突破的基礎(chǔ)研究等。本文主要關(guān)注圖中顯示的嵌入式視覺算法處理技術(shù)。

采用嵌入式視覺，業(yè)界進(jìn)入了一種“良性循環(huán)”，這是很多其他數(shù)字信號(hào)處理(DSP)應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)。目前雖然很少有專門用于嵌入式視覺應(yīng)用的芯片，但是，這些應(yīng)用越來越多的采用了針對(duì)其他應(yīng)用開發(fā)的高性能、高性價(jià)比處理芯片，包括，數(shù)字信號(hào)處理器、CPU、FPGA和GPU等。這些芯片單位成本、單位功率的可編程性能越來越高，因此，能夠支持實(shí)現(xiàn)大批量嵌入式視覺產(chǎn)品。這些大批量應(yīng)用也相應(yīng)的引起了硅片提供商更多的關(guān)注，他們會(huì)提供更好的性能、更高的效率和可編程處理能力。

處理選擇

如前所述，視覺算法通常需要很強(qiáng)的計(jì)算能力。當(dāng)然，所有的嵌入式系統(tǒng)一般都受限于嚴(yán)格的成本和功耗要求。在其他DSP應(yīng)用領(lǐng)域，例如，數(shù)字無線通信等，芯片設(shè)計(jì)人員使用專用協(xié)處理器和加速器來完成應(yīng)用所要求的苛刻的處理任務(wù)，同時(shí)滿足了高性能、低成本和低功耗需求，從而解決了這一難題。但是，芯片用戶一般不能對(duì)這些協(xié)處理器和加速器進(jìn)行編程。

無線應(yīng)用通常能夠接受這些優(yōu)缺點(diǎn)，無線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)意味著不同設(shè)備設(shè)計(jì)人員使用的算法之間有很強(qiáng)的共性。然而在視覺應(yīng)用中，對(duì)算法的選擇并沒有標(biāo)準(zhǔn)約束。相反，一般可以選擇很多方法來解決某一特殊的視覺問題。因此，視覺算法是非常多樣的，往往隨著時(shí)間的變化而迅速變化。結(jié)果，與數(shù)字無線和以壓縮技術(shù)為主的消費(fèi)類視頻設(shè)備等應(yīng)用相比，視覺應(yīng)用并不傾向于采用非可編程加速器和協(xié)處理器。

但是很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能、低成本和低功耗以及可編程功能。專用硬件通常能夠以低成本實(shí)現(xiàn)高性能，但是可編程能力較弱。通用CPU具有可編程能力，但是性能較差，性價(jià)比不高，能效也較低。要求較高的嵌入式視覺應(yīng)用通常結(jié)合使用多個(gè)處理單元，例如，可能會(huì)包括：

●通用CPU，用于啟發(fā)式復(fù)雜判決、網(wǎng)絡(luò)訪問、用戶接口、存儲(chǔ)管理和總體控制等。

●高性能數(shù)字信號(hào)處理器，用于實(shí)時(shí)中等速率處理，不太復(fù)雜的算法等。

●用于簡(jiǎn)單算法像素速率處理的一個(gè)或者多個(gè)高度并行的引擎。