高性能DSP的嵌入式視覺應(yīng)用:借機(jī)器一雙慧眼

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

　　《泰坦尼克號》3D版在全球熱播。時隔15年，這段凄美故事仍然叫人唏噓。泰坦尼克號沉沒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(因為當(dāng)時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有上船)，瞭望員不得不用肉眼觀測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)冰山時，為時已晚。

　　肉眼的觀察能力是有限的，千百年來人們一直在通過各種途徑來彌補(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小時全天候、不眨眼的視頻錄像外，還可以提供對特殊事件預(yù)警或該類事件發(fā)生時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而忽視了前方進(jìn)城限速的標(biāo)志，這時候汽車中的另一雙“眼睛”就會發(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”的概念迅速走入我們的生活，受到越來越多的關(guān)注。在2012年初的拉斯維加斯國際消費(fèi)電子展(CES)上，嵌入式視覺被評為十大改變今年消費(fèi)電子市場的技術(shù)之一。根據(jù)IMS Research預(yù)計，到2015年，將有35億電子系統(tǒng)有視覺能力，包括智能手機(jī)、電視和汽車駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)等。

　　嵌入式視覺應(yīng)用的“前世今生”

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

　　ADI 是業(yè)界對嵌入式視覺的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用走在前列的半導(dǎo)體公司之一，ADI認(rèn)為對于當(dāng)今和很多未來的工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)電子視覺應(yīng)用開發(fā)，提供能夠使產(chǎn)品“看見”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信號鏈器件，例如數(shù)字信號處理器(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應(yīng)用變得極其便利。特別是Blackfin器件在早期的“嵌入式視覺”應(yīng)用中有廣泛的應(yīng)用，下面是四個具有代表性的早期“嵌入式視覺”應(yīng)用成功案例?！　?/p>

 

　?、绷昵暗牡聡鳤glaia GmbH 公司開發(fā)上市汽車駕駛員輔助視覺傳感器系統(tǒng)，其實(shí)時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)的視覺系統(tǒng)。Aglaia的系統(tǒng)能夠通知駕駛員前方的交通標(biāo)志，對潛在的交通沖突發(fā)出警告，自動限速，當(dāng)駕駛員駛出車道線時發(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。

　　⒉視覺輔助技術(shù)的領(lǐng)先公司 Enhanced Vision(EV)為增長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)在家中或者在購買食物或藥品時實(shí)現(xiàn)生活自理。

　　⒊韓國首爾的Qritek公司利用其新型IRIBIO鼠標(biāo)生物識別系統(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，注冊和認(rèn)證數(shù)據(jù)也安全地存儲在鼠標(biāo)內(nèi)部，與PC機(jī)分開，避免來自黑客的威脅。

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

　　正如嵌入式視覺聯(lián)盟創(chuàng)始人Jeff Bier所指出：“視覺算法對計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，其中又以首個高性能雙核Blackfin處理器BF561的應(yīng)用為主。視覺演算法與應(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對嵌入式視覺應(yīng)用具有深刻的認(rèn)識，這樣的觀點(diǎn)也是當(dāng)前嵌入式視覺應(yīng)用的主要趨勢之一。ADI 最新推出的 Blackfin ADSP-BF609和ADSP-BF608 處理器就適時地迎合了當(dāng)前和未來嵌入式視覺應(yīng)用的這些需求趨勢，旨在以高性價比、低功耗將復(fù)雜的多功能分析技術(shù)推廣到多種級別的嵌入式視覺應(yīng)用。

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

　　無論是從最初的視頻監(jiān)控應(yīng)用到汽車視覺ADAS系統(tǒng)以及各種創(chuàng)新型的嵌入式視覺應(yīng)用，最根本的要求是“視覺”——滿足需求清晰度的視頻處理。而另一方面，當(dāng)前嵌入式視覺更加注重融入智能分析特性，這對嵌入式系統(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)計之初充分考慮到這些應(yīng)用需求，針對嵌入式視覺應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，并均配備一種稱為“流水線視覺處理器(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)計用于加速多達(dá)5個并行圖像算法，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象監(jiān)測、跟蹤和識別等。

　　“當(dāng)前業(yè)界在視頻分析算法上尚沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，每一個客戶的算法千差萬別，因此處理器需要針對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，具體來說，包括卷積、縮放、算數(shù)模塊等12個高性能、配置靈活的信號處理模塊，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)過濾波器、索菲爾邊沿檢測、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500MHz的Blackfin內(nèi)核。”

　　對于當(dāng)前的嵌入式視覺應(yīng)用，低功耗也是一個重要的特性需求。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)計時進(jìn)行了特別的優(yōu)化，可以簡化對內(nèi)存存儲以及讀寫，其中一個重要的好處就是低功耗，因為處理器在讀寫內(nèi)存的時候通常會消耗更多的功耗。

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

　　另外，BF608/9有豐富的外設(shè)和連接存儲器接口：DDR2、LPDDR、RSI(移動存儲接口，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)計多樣性提供了很好的支持。

　　性價比永遠(yuǎn)是市場競爭的關(guān)鍵利器，而對于剛開始風(fēng)生水起的嵌入式系統(tǒng)來說尤其如此。陸磊表示：“ADI在為BF608和BF609的設(shè)定性能目標(biāo)時，注重的不僅是DSP的時鐘頻率和處理能力，還包括性能價格比、性能功耗比、性能面積比。”