基于圖像識(shí)別的汽車電子高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與解決方案

作者：陳東華 飛思卡爾半導(dǎo)體

1 趨勢(shì)

汽車電子業(yè)界現(xiàn)已開(kāi)始采用智能圖像處理來(lái)將多個(gè)攝像頭采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，有效的給車輛提供了“看”和“識(shí)別”周圍環(huán)境的能力。眾多的廠商也都在為創(chuàng)建更安全的駕駛環(huán)境這一共同的目標(biāo)而努力。飛思卡爾推出的帶有APEX技術(shù)的圖像識(shí)別處理器（ICP）使得下一代的智能安全車輛更易實(shí)現(xiàn)。ICP可以在智能視覺(jué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的嵌入式圖像和視頻分析相關(guān)的應(yīng)用，比如：帶物體檢測(cè)和圖像校正的增強(qiáng)智能后視攝像頭（EBC）、車道偏離警示系統(tǒng)（LDW）、碰撞緩沖技術(shù)（CAS）、盲點(diǎn)檢測(cè)（BSD）等。

圖 1 高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)

2 挑戰(zhàn)

基于圖像識(shí)別的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)則在于，如何設(shè)計(jì)一個(gè)平臺(tái)，能夠持續(xù)的提供足夠的處理性能，來(lái)滿足計(jì)算密集類應(yīng)用的需求，又能提供低功耗來(lái)避免散熱的問(wèn)題。在提供高性價(jià)比的低成本的解決方案同時(shí)，能夠讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠設(shè)計(jì)出比較小尺寸的封裝。這樣的智能的系統(tǒng)可能還需要集成圖像傳感器單元與智能攝像頭互聯(lián)（如果需要的話）。這樣的集成了圖像處理功能的圖像傳感器而搭建出來(lái)的智能攝像頭系統(tǒng)，可以被用在車內(nèi)多個(gè)不同的場(chǎng)合，比如安裝在后保險(xiǎn)杠作為可進(jìn)行物體檢測(cè)的增強(qiáng)型的智能后視攝像頭、安裝在側(cè)后鏡來(lái)進(jìn)行盲點(diǎn)檢測(cè)、安裝在后視鏡后面來(lái)進(jìn)行前向的防撞檢測(cè)和車道偏離檢測(cè)、或者搭配其他的攝像頭模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)360o環(huán)視效果。另外，這種分布式的智能攝像頭模塊不會(huì)增加車輛中央控制臺(tái)的負(fù)擔(dān)，不需要額外的系統(tǒng)資源開(kāi)銷。

市場(chǎng)分析報(bào)告顯示，高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）應(yīng)用的增加將非常迅速，若干年后不僅是在高端車上，甚至在更多的普通低端的車輛上都會(huì)安裝這樣的應(yīng)用。另外考慮到以上提到的每個(gè)應(yīng)用都需要越來(lái)越多的計(jì)算性能，需求也非常的類似，目前也有趨勢(shì)是越來(lái)越多的ADAS應(yīng)用將會(huì)采用同樣的硬件平臺(tái)。這就提出了一個(gè)問(wèn)題--目前的DSP和FPGA的方案是否適合呢？

DSP算法執(zhí)行的最大的瓶頸之一在于需要從外部的內(nèi)存區(qū)載入數(shù)據(jù)，才能保持對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)訪問(wèn)。傳統(tǒng)的DSP僅提供了有限的并行處理機(jī)制，而且為了滿足處理能力的需求，通常需要的主頻也越來(lái)越高。當(dāng)時(shí)鐘頻率提升得越來(lái)越高時(shí)，系統(tǒng)的功耗也會(huì)越來(lái)越大，同樣導(dǎo)致散發(fā)出的熱量也越來(lái)越多。FPGA提供了相對(duì)于DSP更多的并行度，但是通常編程也會(huì)變得越來(lái)越困難，而且經(jīng)常需要采用一個(gè)RISC來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)做后處理。FPGA功耗更大，封裝尺寸也更大，在系統(tǒng)的總體成本上也相對(duì)更高。

3 圖像識(shí)別的未來(lái)： 多核并行處理

飛思卡爾基于多核并行處理機(jī)制的圖像識(shí)別處理器系列（ICP）恰好彌補(bǔ)了DSP和FPGA的缺點(diǎn)。圖像識(shí)別處理器在單位面積僅毫瓦功耗的情況下提供了更多的性能，并且集合了低功耗、高性能、小尺寸、完整軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)等眾多特性，給開(kāi)發(fā)者提供了非常有競(jìng)爭(zhēng)力的低成本方案。

飛思卡爾的圖像識(shí)別處理器的核心為APEX，如圖2所示。這是一個(gè)多核的架構(gòu)，由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RISC內(nèi)核和一個(gè)矩陣處理引擎（APU）組成。RISC主要負(fù)責(zé)非并行的算法的處理并且管理算法的執(zhí)行。APU則側(cè)重于處理大量并行的單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）的矩陣運(yùn)算，通常是指圖像處理和分析算法中比較底層并且運(yùn)算量大的并行運(yùn)算。除了RISC和APU，APEX架構(gòu)中配備了直接內(nèi)存存取流（DMA流）以便于進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)搬移，另外還提供了一個(gè)序列器來(lái)自動(dòng)高效的按照順序執(zhí)行操作來(lái)實(shí)現(xiàn)效率的最大化。而應(yīng)用層的程序則完全運(yùn)行在圖像識(shí)別處理器中的第二個(gè)RISC內(nèi)核，該內(nèi)核是獨(dú)立運(yùn)行于APEX之外的。

圖 2 可編程的并行架構(gòu)（APEX）

APEX靈活可擴(kuò)展，可以通過(guò)增加處理元素（帶有專用內(nèi)存的計(jì)算單元的組合）的數(shù)量而線性的增加APU并行處理的能力。這樣做不僅可以在較低的時(shí)鐘頻率下增強(qiáng)運(yùn)行性能和并行操作度，而且還有利于降低功耗，減少熱量的產(chǎn)生。處理元素是由計(jì)算單元（CU）組成的，每個(gè)CU都有自己本地專用的內(nèi)存。一旦圖像數(shù)據(jù)被從外部?jī)?nèi)存即系統(tǒng)內(nèi)存取出并按照數(shù)據(jù)流的方式存入APU的內(nèi)存中，則這些數(shù)據(jù)將一直存在本地內(nèi)存中，所有的圖像操作也將是基于這些本地的內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，直到所有的處理都完成后才會(huì)將這些數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)流的方式存回到系統(tǒng)內(nèi)存中去。通過(guò)這種將內(nèi)存與APU的執(zhí)行單元進(jìn)行綁定的方式，我們大大減少了圖像處理中對(duì)外部?jī)?nèi)存的訪問(wèn)次數(shù)，在不需要提升系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率的情況下就能滿足計(jì)算性能的要求，對(duì)降低功耗和提升性能也有非常大的幫助。

另外，APEX模塊與ICP的其他模塊耦合較弱。也就是說(shuō)APEX內(nèi)核的運(yùn)行頻率和SOC的其他部分的運(yùn)行頻率是無(wú)關(guān)的，因此系統(tǒng)的其他的這些部分可以運(yùn)行在更低的時(shí)鐘頻率下，以便更好的節(jié)省系統(tǒng)的功耗。芯片采用了堆疊技術(shù)將外部?jī)?nèi)存也封裝在內(nèi)部，因此整個(gè)芯片的封裝尺寸做得更小。得益于芯片的小封裝和低功耗，整個(gè)板級(jí)設(shè)計(jì)尺寸也可以做得很小。

圖 3 圖像識(shí)別處理器軟件架構(gòu)

通過(guò)并行處理器內(nèi)核，以及獨(dú)特的軟件可編程的數(shù)據(jù)流框架，飛思卡爾的ICP系列圖像識(shí)別處理器能夠輕松調(diào)度復(fù)雜的向量運(yùn)算并且將數(shù)據(jù)搬移的搬移最小化。若在DSP執(zhí)行同樣的操作，則將占用更高的外部數(shù)據(jù)訪問(wèn)帶寬，導(dǎo)致更高的功耗，產(chǎn)生更多的熱量。APEX靈活可編程。飛思卡爾為應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了如圖3 所示的軟件框架。利用SIMD和軟件框架，APEX能夠達(dá)到FPAG一樣的并行度，和DSP一樣的編程的靈活性 。通過(guò)調(diào)用軟件框架中已經(jīng)過(guò)優(yōu)化的圖像識(shí)別庫(kù)中現(xiàn)有算法的API接口，APEX能夠更有效的充分利用算法本身所具備的自動(dòng)流水線的特性來(lái)減少算法的復(fù)雜度，并且多核系統(tǒng)的均衡以及多核的同步這些復(fù)雜問(wèn)題對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)也被隱藏起來(lái)了。APEX的可編程特性也使得用戶可以添加自定制的算法到現(xiàn)有的算法庫(kù)中。

飛思卡爾的ICP圖像識(shí)別處理器的高并行度，且具備高帶寬算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)的架構(gòu)確保了這樣的平臺(tái)可以提供足夠的空間和性能，基于同樣的硬件上可以實(shí)現(xiàn)多種不同的應(yīng)用。靈活的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和軟件開(kāi)發(fā)套件（SDK）使客戶能夠更方便的對(duì)APEX進(jìn)行編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)更具有競(jìng)爭(zhēng)力和差異化的應(yīng)用。這樣的多核并行的架構(gòu)平臺(tái)之所以成為開(kāi)發(fā)者青睞的選擇，不僅是因?yàn)楸砻婵吹玫降男阅?、功耗和尺寸的?yōu)勢(shì)，更是因?yàn)樵趯?lái)的圖像處理應(yīng)用的開(kāi)發(fā)中，現(xiàn)有的代碼的復(fù)用將確保項(xiàng)目開(kāi)發(fā)可以更快更便捷。

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