Xilinx Zynq All Programmable SoC：Smarter Visi

您是否見識過奧迪非凡的自動泊車功能?在沒有駕駛員的情況下，轎車能自動找到車位并泊車入位;或者，您是否使用Kinect控制器玩過Xbox 360游戲，或是剛剛咬下一口您從本地水果店購買的鮮香水果。如果是，那么您可以把自己看成是Smarter Vision系統(tǒng)時代到來的見證人。

從最尖端精密的電子系統(tǒng)到普普通通的蘋果，各種形式的產(chǎn)品都無不受到Smarter視頻技術的影響。雖然當今Smarter Vision的運用已足以讓人稱奇，但專家稱我們其實還什么都沒有看到。有人預測在10年時間里，從汽車到工廠自動化、醫(yī)療、監(jiān)控、消費類、航空航天和軍用產(chǎn)品等絕大多數(shù)電子系統(tǒng)都將包含功能更豐富、出眾的Smarter Vision技術，極大地豐富人們的生活，乃至挽救生命。

Smarter Vision系統(tǒng)將迅速得到普及，而且隨著它們在未來幾年將變得更加尖端復雜，我們很可能會乘坐自動駕駛汽車盡情穿梭在高速公路網(wǎng)上。諸如Intuitive Surgical公司令人驚嘆的機器人輔助手術系統(tǒng)等醫(yī)療設備將進一步得到發(fā)展，甚至能夠讓外科醫(yī)生遠程執(zhí)行外科手術。電視和遠程監(jiān)控系統(tǒng)讓人仿佛置身其中，達到前所未有的互操作水平，同時影院、家庭和店鋪屏幕上的內(nèi)容也將迎合每個不同消費者的興趣，乃至情緒。

賽靈思All Programmable Smarter Vision解決方案正在引領這場變革創(chuàng)新。ZynqTM-7000 All Programmable SoC是業(yè)界首款在單個器件上將ARM雙核CortexTM-A9 MPCORETM、可編程邏輯及主要外設完美結合在一起的器件。賽靈思以其作為基礎，已推出了配套基礎架構(工具及SmartCORE IP組合)，其將在開發(fā)和加速這些出色的創(chuàng)新產(chǎn)品上市進程中發(fā)揮至關重要的作用。該輔助基礎架構包括VivadoTM HLS(高層次綜合)、最新IP Integrator工具、OpenCV(計算機視覺)庫、SmartCORETM IP和專用開發(fā)套件。

賽靈思企業(yè)戰(zhàn)略與市場營銷高級副總裁Steve Glaser表示：“借助賽靈思All Programmable Smarter Vision解決方案，我們將幫助客戶率先推出新一代Smarter Vision系統(tǒng)。在過去10年中，客戶已充分利用我們的FPGA來為他們系統(tǒng)處理器中那些運行速度不足的功能提速。對于Zynq-7000 All Programmable SoC而言，處理器和FPGA邏輯均位于同一芯片上，這意味著開發(fā)人員現(xiàn)已擁有一款適用于Smarter Vision應用的理想的芯片平臺。我們現(xiàn)在又推出了一款由Vivado HLS、最新IP Integrator工具、OpenCV庫、SmartCORE IP和開發(fā)套件組成的穩(wěn)健可靠的開發(fā)環(huán)境，進一步完善了Zynq-7000 All Programmable SoC。借助這些Smarter Vision技術，我們的客戶可以立即啟動他們的新設計，以更快的速度推出效率和系統(tǒng)性能更高、系統(tǒng)功耗和材料清單成本更低的創(chuàng)新產(chǎn)品，從而在提升盈利能力的同時豐富人們的生活，乃至挽救生命。”

從啞巴攝像機到Smarter Vision

Smarter Vision系統(tǒng)的根源在于嵌入式視覺。若您對嵌入式視覺知之甚少，那么就讓我們看看下面對這種技術及其演進發(fā)展的介紹。

根據(jù)快速發(fā)展的行業(yè)組織“嵌入式視覺聯(lián)盟”(www.embedded-vision.com/)的定義，嵌入式視覺融合了兩種技術：嵌入式系統(tǒng)(區(qū)別于使用處理器的計算機的任何電子系統(tǒng))和計算機視覺(有時也稱機器視覺)。

嵌入式視覺聯(lián)盟創(chuàng)始人兼咨詢公司BDTI首席執(zhí)行官Jeff Bier表示，嵌入式視覺技術已經(jīng)給數(shù)個行業(yè)造成顯著的影響，因為該技術的發(fā)展已遠遠超越了以往的通過電機驅(qū)動實現(xiàn)平移/傾斜/縮放(motorized pan-tilt-zoom)功能的模擬攝像系統(tǒng)時代。Bier表示：“我們已在數(shù)字時代生活了一段時間，看到嵌入式視覺從擅長壓縮、存儲或增強攝像頭拍攝內(nèi)容觀感的早期數(shù)字系統(tǒng)迅速發(fā)展成為如今能知曉拍攝內(nèi)容的Smarter嵌入式視覺系統(tǒng)。”此外，先進的嵌入式視覺系統(tǒng)或Smarter視覺系統(tǒng)不僅能增強和分析圖像，而且還能根據(jù)那些分析結果觸發(fā)行動。由此，處理量和計算能力以及算法的復雜性都顯著增大。監(jiān)控市場的快速發(fā)展就是這種顯著演進的最好例證之一。

20年前，監(jiān)控系統(tǒng)廠商競相提供由機械系統(tǒng)強化的最佳透鏡，能夠執(zhí)行可實現(xiàn)更清晰、更寬廣拍攝視野的平移/傾斜/縮放功能。這些系統(tǒng)基本上由模擬攝像機、連接用同軸電纜、模擬監(jiān)控器和安保人員監(jiān)控的視頻錄制裝置組成。這些系統(tǒng)的清晰度、可靠性和有效性由光學組件和透鏡的質(zhì)量以及監(jiān)控攝像頭播放內(nèi)容的安保人員的盡職程度決定。

嵌入式視覺技術的問世使監(jiān)控設備公司能夠使用基于數(shù)字技術的較低成本攝像頭。此類數(shù)字處理能力可為其系統(tǒng)提供卓越的功能，在性能上超越模擬以及基于透鏡的保安系統(tǒng)，在價格上則更低廉。

魚眼透鏡和采用各種視覺專用算法的嵌入式處理系統(tǒng)大幅增強了攝像頭生成的畫質(zhì)。這些技術針對光照條件進行了校正，能夠改善對焦，增強色澤和數(shù)字縮放觀測區(qū)域，另外無需使用機械電機控制來執(zhí)行平移/傾斜/縮放，從而能夠進一步提升系統(tǒng)可靠性。企業(yè)使用數(shù)字信號處理可提供視頻分辨率達到以及超過1080p的監(jiān)控系統(tǒng)。實際上，就無人機(UAV)和軍用衛(wèi)星而言，嵌入式視覺已能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的超高分辨率。若以此分辨率捕獲圖像，就需要處理大量的像素，而增強和操控這些圖像則需要甚至更高的處理能力。

但通過數(shù)字信號處理操縱圖像，增強其清晰度只是開始。憑借先進得多的像素處理功能，監(jiān)控系統(tǒng)制造商開始創(chuàng)建更尖端的嵌入式視覺系統(tǒng)，以便能在其數(shù)字系統(tǒng)所采集的高畫質(zhì)圖像上實時執(zhí)行分析功能。視覺系統(tǒng)設計人員每年都會推出一系列功能更為強大的高級算法，用于創(chuàng)建更為動態(tài)的分析功能。這些嵌入式視覺系統(tǒng)的最早期類型只能檢測特定的色彩、形狀和移動。這項功能迅速地發(fā)展為具有下列功能的算法：能夠檢測跨越攝像頭視野中虛擬柵欄的物體;判斷圖像中的對象是否是一個人;以及，鏈接至數(shù)據(jù)庫后甚至能識別特定的人。

最先進的監(jiān)控系統(tǒng)所提供的分析功能能跟蹤受監(jiān)測的個人穿越安保網(wǎng)絡的視野范圍，即便在他們離開攝像頭的視野后進入盲點，然后再進入監(jiān)控網(wǎng)絡的另一部攝像頭的視野后也能追蹤。視覺設計人員已經(jīng)設計出某些此類系統(tǒng)，用于檢測異?；蚩梢傻囊苿?。賽靈思工業(yè)、科學及醫(yī)療(ISM)事業(yè)部系統(tǒng)架構師Mark Timmons表示：“分析功能是當今監(jiān)控市場最大的發(fā)展趨勢。它可以克服人為錯誤，甚至取代細致的人工觀察和決策?？梢韵胂螅诨疖囌竞瓦\動賽場等擁擠的環(huán)境中，監(jiān)控的難度極大。所以如果有分析功能可以發(fā)現(xiàn)過度擁擠的危險情況或表現(xiàn)出危險行為或過激動作的個人，就會帶來非常明顯的優(yōu)勢。”

為了進一步增強這種分析功能并提升此類系統(tǒng)的有效性，監(jiān)控及眾多其它使用Smarter Vision技術的市場越來越多地采用“融合”架構，將攝像頭和熱成像、雷達、聲納和LIDAR(光/激光探測和測距)等其它感測技術相結合。這樣Smarter視覺設計人員就可進一步增強最終圖像，實現(xiàn)夜視、檢測熱溫/熱能影像或是拾取單憑攝像頭不能采集或無法看到的對象。這項功能能顯著地減少虛假檢測，從而實現(xiàn)更準確的分析。毫無疑問，技術融合以及之后分析融合技術采集的數(shù)據(jù)會帶來更大的復雜性，要求更為強大的分析處理能力。

Timmons提到，這個市場上的另一大趨勢是執(zhí)行所有這些類型的復雜分析系統(tǒng)都位于監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡的“邊緣”，即位于每一部攝像頭中，而非由每一部攝像頭將自己的數(shù)據(jù)傳輸給中央大型機系統(tǒng)，然后再由大型機根據(jù)多路饋入的數(shù)據(jù)進行更精確的分析。分析功能的本地化為整體安全系統(tǒng)增加了靈活性，使得系統(tǒng)中的每個點都能更加迅速準確地執(zhí)行檢測，因而如果攝像頭能真正發(fā)現(xiàn)切實的威脅，就能更迅速地向操作人員發(fā)出告警。

分析功能本地化意味著每個單元不僅需要更強大的處理功能來強化和分析攝像頭采集的圖像，而且還必須足夠緊湊，能夠集成至高度集成的電子系統(tǒng)中。且由于每個單元都必須能夠可靠地與網(wǎng)絡的其余部分進行通信，攝像頭還必須集成電子通信功能，進一步增大計算復雜度。這些監(jiān)控單元逐漸通過無線網(wǎng)絡連接構成更大型監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分;而且這些監(jiān)控系統(tǒng)將不斷變成更大規(guī)模的企業(yè)網(wǎng)絡乃至更大規(guī)模的全球網(wǎng)絡的組成部分，正如美國軍方的全球信息網(wǎng)格(參見Xcell期刊第69期的封面介紹：http://china.xilinx.com/china/archives/xcell/Xcell69.pdf)。

這類高度復雜性有望出現(xiàn)在監(jiān)控等領域中，也正應用于軍事和防務市場的各個方面，從步兵的頭盔到與中央司令部聯(lián)網(wǎng)的軍用衛(wèi)星等，無所不包?？赡芨钊梭@嘆的是，Smarter Vision技術正快速進入其它領域，以提高生活質(zhì)量，確保生命安全。

Smarter Vision 成就完美蘋果

現(xiàn)在以蘋果為例。有沒有想過一個好蘋果是怎么進入您的雜貨店的?賽靈思工業(yè)科學和醫(yī)療業(yè)務部的架構師Giulio Corradi說，今天食品公司正在把最新Smarter Vision系統(tǒng)用于食品檢驗生產(chǎn)線，將壞蘋果從好蘋果中篩選出來。Corradi表示，高速食品檢驗生產(chǎn)線上使用的第一代嵌入式視覺系統(tǒng)通常使用一個或者多個攝像頭來發(fā)現(xiàn)蘋果或者其它農(nóng)產(chǎn)品表面上的瑕疵。如果嵌入式視覺系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有非正常的色澤，該蘋果就會被打上標記/篩選出來進行進一步檢測，或者扔掉。

但是如果在此之前的某個時候水果曾掉落過，但傷痕難以察覺會怎么樣呢?Corradi表示“在某些情況下，掉落造成的傷痕可能難以被攝像頭發(fā)現(xiàn)，只能用肉眼查看。傷痕可能實際上位于蘋果的果肉中。所以一些Smarter Vision系統(tǒng)在攝像頭上集成了紅外傳感器。這樣這種更加高級的Smarter Vision系統(tǒng)就可以檢測到蘋果表皮之下的傷痕，觸發(fā)機械分揀機將蘋果推出生產(chǎn)線，以免被包裝發(fā)往雜貨店。”如果沒有Smarter融合視覺系統(tǒng)的幫助，有傷痕的蘋果會通過檢測，而傷痕會在蘋果擺放到雜貨店貨架上時變得明顯，這樣就可能不得不把它扔掉。一個壞蘋果會糟蹋一堆蘋果。

此外，分析功能還可以幫助食品公司判斷有傷痕的蘋果狀態(tài)是否足夠良好，可以轉(zhuǎn)入新的生產(chǎn)線，由另一個Smarter Vision系統(tǒng)判斷它是否適用于其它用途，比如制作蘋果醬、果脯或者如果狀態(tài)太差，用于制作肥料。

Corradi表示，Smarter Vision技術正在被應用于工廠車間，以幫助保護工人。越來越多的工廠今天都已完成自動化，使用機器人輔助技術或者完全自動化的機器人生產(chǎn)線。Corradi表示，最早的這些自動化工廠中，每部機器人只執(zhí)行生產(chǎn)產(chǎn)品的一小部分任務，然后將其傳送給生產(chǎn)線上的另一部機器人。由于這些機器人完成的是一系列可預測的工作，它們的活動范圍也可以預測。因此，為保護在這些機器人生產(chǎn)線附近操作、維護或者工作的工人，許多設施在機器人周圍建有保護籠。

然而在現(xiàn)代化工廠中，制造商正在越來越多地使用更加靈活的機器人生產(chǎn)線按需生產(chǎn)更多數(shù)量的產(chǎn)品，而且可以重新裝備這些機器人生產(chǎn)線，用于制造未來的產(chǎn)品。為此，工廠為機器人提供更大的泊位，因其移動范圍可能會發(fā)生顯著的變化。對于需要制造不同產(chǎn)品系列的機器人來說，安全籠顯得限制過多(或者過小)，無法適應機器人的移動范圍。