支持新一代工業(yè)檢查系統(tǒng)的多核 DSP

傳感器／掃描與計算技術的發(fā)展正在推進食品加工、制藥與半導體制造等各種行業(yè)的新一代高性能工業(yè)檢查系統(tǒng)的發(fā)展，如后期制造質量保證、計量、機器人視覺以及定位等。隨著新一代數(shù)字信號處理器 (DSP) 的推出，特別是多核 DSP 的推出，開發(fā)人員將擁有高性能、低成本的低功耗備選方案，實現(xiàn)檢查應用的實時影像處理實施。

今天，在各種因素推動下，工業(yè)檢查系統(tǒng)需要越來越高的處理性能。提高處理性能的主要原因在于，現(xiàn)代檢查系統(tǒng)不但要運行更加龐大的影像數(shù)據(jù)集，而且還要實時執(zhí)行更為復雜的算法。往往需要多個高分辨率（百萬像素）和高幀速率 (FPS) 攝像機提供大量數(shù)據(jù)流，也就是說更高端的檢查系統(tǒng)可使用多個攝像機來采集完整的 3-D 數(shù)據(jù)，使用深度攝像機來捕獲深度外形信息，或通過立體攝像機生成表面輪廓信息。

檢查系統(tǒng)供應商通常根據(jù)軟件中，特別是專有算法中實施的特性實現(xiàn)產(chǎn)品差異化，供應商往往不能或不希望在多家不同半導體制造商針對機器視覺應用開發(fā)的片上系統(tǒng) (SoC) 中使用硬件加速器，因為這樣做不能幫助他們在競爭中實現(xiàn)性能或質量的差異化。

下文將重點介紹用于檢查系統(tǒng)的典型影像處理算法以及提供所需處理效率的多核 DSP 的特性。

影像處理：
檢查系統(tǒng)的核心是多種不同的影像處理算法。這些算法可分為幾大類，如影像形成算法、影像增強算法、形態(tài)運算、特性提取算法以及特性檢測算法等。

影像增強：是指采用中值濾波器、雙邊濾波器以及柱狀圖等非線性濾波器去除噪聲，增強邊緣與對比度。邊緣通過非強化掩碼或 Sobel 濾波等算法加強，Canny 邊緣檢測器可用來獲得影像中重要特性的邊緣。

形態(tài)運算：是指使用“結構元素”探詢影像并提供元素結構在影像中實用度結果的各種非線性運算。這種運算可用于加厚或削薄邊緣，除去大對象中的小對象，連接斷裂的邊緣，消除小洞，并填補小空隙。

大多數(shù)特性提取及檢測程序包括邊緣檢測、線路跟蹤、對象形狀分析、分類算法以及模板匹配等。有時影像可在提取特性之前轉為化成不同的域，如傅立葉（Fourier）與 小波分析（Wavelet） 等。

DSP 是強大的處理單元：
影像處理與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)都可通過使用 DSP 獲得極大優(yōu)勢。同質多核 DSP 提供可充分滿足這些計算密集型算法需求的處理性能。

大多數(shù)工業(yè)影像處理子系統(tǒng)都需要內核速度 (GHz)、每秒百萬指令 (MIPS) 、 每秒百萬次乘累加 (MMAC) 以及每秒十億浮點運算 (GFLOP) 的高性能。德州儀器 (TI) TMS320C6678 等多核處理器支持 360GMAC 與 160GFLOPS，可為要求高動態(tài)范圍的系統(tǒng)帶來使用定浮點指令的高靈活性。為了進一步提高系統(tǒng)性能，多核處理器的架構還可通過基于硬件的處理器間通信消除片上數(shù)據(jù)傳輸瓶頸與時延問題。

多層存儲器高速緩存與可用片上隨機存取存儲器 (RAM) 容量可大幅提高系統(tǒng)性能。影像尺寸通常遠遠超過可用的片上 RAM，因此這些系統(tǒng)不可避免地需要大型外部 RAM，這就意味著 DSP 需要提供 DDR3 等高帶寬外部存儲器接口。共享存儲器架構使多核 DSP 中的多個內核既能在相同影像的不同部分并行運行，也可在影像數(shù)據(jù)相同部分連續(xù)執(zhí)行不同的處理功能。上述功能配合在所有內核中共享的智能直接存儲器存取控制器，可在外部存儲器、存儲器映射外設以及片上存儲器之間進行數(shù)據(jù)傳輸，通過雙緩沖進行計算，提高性能。

有許多選項可用于連接影像子系統(tǒng)與影像處理子系統(tǒng)。系統(tǒng)可能需要一個或多個 如CameraLink 等模擬或數(shù)字接口。DSP 支持不同高速串行器／解串器接口選擇，可為硬件設計人員提供連接及 FPGA 選項，從而可連接影像采集子系統(tǒng)。例如，TI C6678 多核 DSP 就具有多個這樣的高速接口，如 PCIe Gen II、串行 RapidIO 2.1 (SRIO)、GigE 以及 TI 名為 Hyperlink 的 50Gbps 專利接口等。有時影像通過背板通信結構發(fā)送，這時會使用 PCIe 和 SRIO。

由于工業(yè)檢查系統(tǒng)往往需要高度的可靠性才能在惡劣條件下以最低功耗進行工作，因此多核 DSP 應支持更高的工業(yè)工作溫度等級，才能幫助系統(tǒng)設計人員設計這類系統(tǒng)。

下圖 1 是多核 DSP 影像處理子系統(tǒng)的示意圖。

圖 1：工業(yè)檢查系統(tǒng)方框圖

10 多年來，多核 DSP 在各行業(yè)眾多不同應用中充分展示了其價值。多核同質 DSP 一直都是要求計算密集型信號處理的有限功耗預算及狹小物理空間應用中的理想選擇。最新一代多核 DSP 支持優(yōu)異的計算性能、更高的 I/O、更大的存儲器容量以及主要硬件集成，可充分滿足高性能工業(yè)檢查領域的需求。在 DSP 上使用 C 語言等高級語言開發(fā)軟件定義影像系統(tǒng)的便捷性可加速最新創(chuàng)新算法的實施，縮短產(chǎn)品上市時間。