用OpenCV和Vivado HLS加速基于Zynq SoC的嵌入式視覺應(yīng)用開發(fā)

將Vivado HLS與OpenCV庫配合使用，既能實現(xiàn)快速原型設(shè)計，又能加快基于Zynq All Programmable SoC的Smarter Vision系統(tǒng)的開發(fā)進度。

　　計算機視覺技術(shù)幾年來已發(fā)展成為學(xué)術(shù)界一個相當(dāng)成熟的科研領(lǐng)域，目前許多視覺算法來自于數(shù)十年的科研成果。不過，我們最近發(fā)現(xiàn)計算機視覺技術(shù)正快速滲透到我們生活的方方面面?，F(xiàn)在我們擁有能自動駕駛的汽車、能根據(jù)我們的每個動作做出反應(yīng)的游戲機、自動工作的吸塵器、能根據(jù)我們的手勢做出響應(yīng)的手機，以及其它等視覺產(chǎn)品。

　　今天我們面臨的挑戰(zhàn)就是如何高效實現(xiàn)上述這些及未來的各種視覺系統(tǒng)，同時滿足嚴(yán)格的功耗和上市要求。此類產(chǎn)品可以Zynq™ All Programmable SoC為基礎(chǔ)，并結(jié)合廣泛使用的計算機視覺庫OpenCV和高層次綜合(HLS)工具，以實現(xiàn)關(guān)鍵功能的硬件加速。這種強強組合能為設(shè)計和實現(xiàn)Smarter Vision系統(tǒng)提供強大的平臺。

　　嵌入式系統(tǒng)在當(dāng)今的市場中無所不在。不過，計算功能方面的局限性，尤其是在處理大型圖片、高幀率時計算能力低下嚴(yán)重限制了嵌入式系統(tǒng)在計算機/機器視覺實際實現(xiàn)方面的應(yīng)用。圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展猶如為嵌入式器件裝上了慧眼，能幫助該器件通過計算機視覺算法與環(huán)境互動。嵌入式系統(tǒng)和計算機/機器視覺的融合催生了嵌入式視覺技術(shù)，這是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，正成為設(shè)計能夠觀看并了解周邊環(huán)境的設(shè)備的基礎(chǔ)所在。

嵌入式視覺系統(tǒng)的開發(fā)

　　嵌入式視覺技術(shù)要在計算平臺上運行智能計算機視覺算法。對許多用戶來說，標(biāo)準(zhǔn)的桌面計算處理平臺即可方便地滿足需求。不過，一般性計算平臺或許無法滿足高度嵌入式產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，這種產(chǎn)品要做到小型化、高效性、低功耗，而且要處理龐大的圖像數(shù)據(jù)集，比如同時處理多個每秒60幀的實時高清視頻流。

　　圖1給出了設(shè)計人員通常用來創(chuàng)建嵌入式視覺應(yīng)用的流程。算法設(shè)計是整個流程中最重要的一環(huán)，因為算法將決定我們能否滿足任何特定計算機視覺任務(wù)的處理和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。首先，設(shè)計人員在MATLAB®等數(shù)字計算環(huán)境中搜索算法選項，明確高級處理選項。一旦確定了適當(dāng)?shù)乃惴?，設(shè)計人員通常用C/C++等高級語言來為算法建模，以便快速執(zhí)行，并滿足最終比特精度實現(xiàn)方案的要求。

　　系統(tǒng)分區(qū)是開發(fā)過程中的重要步驟。在此，設(shè)計人員通過算法性能分析，可明確他們要對算法的哪些部分進行硬件加速，從而滿足處理代表性輸入數(shù)據(jù)集的實時要求。同樣重要的是對目標(biāo)平臺中的整個系統(tǒng)進行原型設(shè)計，從而實際地檢測性能預(yù)期。一旦原型設(shè)計過程說明設(shè)計滿足了所有性能和質(zhì)量目標(biāo)要求，那么設(shè)計人員就能在實際的目標(biāo)器件中啟動最終系統(tǒng)實現(xiàn)。最后一步就是測試運行在芯片上的設(shè)計在各種用例場景下的表現(xiàn)。一切檢查完成后，設(shè)計團隊就能發(fā)布最終產(chǎn)品。

　　圖1  嵌入式視覺系統(tǒng)開發(fā)流程

　　賽靈思All Programmable SoC是以處理器為中心的器件，在單芯片上提供了軟/硬件和I/O可編程性。Zynq SoC在單個器件中集成了一個ARM®雙核Cortex™-A9 MPCore™處理系統(tǒng)、FPGA邏輯和一些關(guān)鍵外設(shè)。這樣，該器件就能幫助設(shè)計人員實現(xiàn)極為高效的嵌入式視覺系統(tǒng)。