基于SoC的雙目視覺(jué)ADAS解決方案

　　相比于單目視覺(jué)，雙目視覺(jué)（Stereo Vision）的關(guān)鍵區(qū)別在于可以利用雙攝像頭從不同角度對(duì)同一目標(biāo)成像，從而獲取視差信息，推算目標(biāo)距離。未來(lái)十年，為了完成從感知+預(yù)警到?jīng)Q策+執(zhí)行的進(jìn)化之路，高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）將接入更多的傳感器，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的計(jì)算，同時(shí)具備更高的安全性。

　　圖1：S32V234結(jié)構(gòu)圖

　　S32V234采用了4顆ARM Cortex A53作為核心CPU，以獲得更高的性能功耗比。另外，S32V234包含了一顆ARM Cortex M4來(lái)作為片上MCU，主要用于關(guān)鍵IO（如CAN-FD）的實(shí)時(shí)控制，并支持AutoSAR操作系統(tǒng)。

　　芯片集成了兩路MIPI-CSI2和兩路16bit并行相機(jī)接口，以及Gbit以太網(wǎng)控制器，為圖像傳感器的輸入提供了多種選擇。同時(shí)芯片內(nèi)部包含了可編程的圖像信號(hào)處理（ISP）硬件模塊。利用嵌入式ISP，外部配搭的圖像傳感器可以輸出raw data，從而降低物料成本，節(jié)省空間尺寸。另外，芯片還包含了兩個(gè)名為APEX2CL的視覺(jué)加速引擎。每個(gè)APEX2CL擁有64個(gè)本地計(jì)算單元（CU），并配有本地內(nèi)存，通過(guò)SIMD/MIMD（單指令多數(shù)據(jù)/多指令多數(shù)據(jù)）的處理方式對(duì)圖像識(shí)別過(guò)程進(jìn)行加速。 另外值得指出的是，考慮到ADAS系統(tǒng)對(duì)安全性和可靠性的嚴(yán)苛需求，S32V234在設(shè)計(jì)時(shí)加入了諸如ECC（錯(cuò)誤檢查與糾正），F(xiàn)CCU（故障收集與控制單元），M/L BIST（內(nèi)存/邏輯內(nèi)置自測(cè)）等多種安全機(jī)制，能夠滿足ISO26262 ASIL B~C的需求。

　　雙目視覺(jué)簡(jiǎn)介

　　相比于單目視覺(jué)，雙目視覺(jué)（Stereo Vision）的關(guān)鍵區(qū)別在于可以利用雙攝像頭從不同角度對(duì)同一目標(biāo)成像，從而獲取視差信息，推算目標(biāo)距離。具體到視覺(jué)ADAS應(yīng)用來(lái)說(shuō)，如果采用單目攝像頭，為了識(shí)別行人和車輛等目標(biāo)，通常需要大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集和訓(xùn)練來(lái)完成機(jī)器學(xué)習(xí)算法，并且難以識(shí)別不規(guī)則物體；而利用毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)進(jìn)行測(cè)距的精度雖然較高，但是成本和難度亦較高。所以，雙目視覺(jué)的最大優(yōu)勢(shì)在于維持開(kāi)發(fā)成本較低的前提下，實(shí)現(xiàn)一定精度的目標(biāo)識(shí)別和測(cè)距，完成FCW（前方碰撞預(yù)警）等ADAS功能。

　　雙目視覺(jué)測(cè)距的基本原理并不復(fù)雜，如圖2所示，P為目標(biāo)點(diǎn)，它在左右兩個(gè)相機(jī)（鏡頭中心分別為A和B）上的成像點(diǎn)分別為E和F，則P點(diǎn)在兩個(gè)相機(jī)中的視差為d=EC+DF。根據(jù)三角形ACE與POA以及三角形BDF與POB的相似性，推導(dǎo)可得d=（fq）/z，其中f為相機(jī)焦距，q為兩相機(jī)光軸的距離，z為目標(biāo)到相機(jī)平面的距離。則距離z=（fq）/d，而f和q可認(rèn)為是固定參數(shù)，所以求出視差信號(hào)d即可求得距離z。

　　圖2：雙目視覺(jué)測(cè)距原理

　　根據(jù)雙目視覺(jué)的測(cè)距原理，通常將其實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為五個(gè)步驟：相機(jī)標(biāo)定，圖像獲取，圖像預(yù)處理，特征提取與立體匹配，三維重構(gòu)。其中，相機(jī)標(biāo)定是為了得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和畸變系數(shù)等，可以離線進(jìn)行；而左右相機(jī)圖像獲取的同步性，圖像預(yù)處理的質(zhì)量和一致性，以及立體匹配（獲取視差信息）和三維重構(gòu)（獲取距離信息）算法的實(shí)時(shí)性要求帶來(lái)的巨大運(yùn)算量，對(duì)在嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)雙目視覺(jué)ADAS提出了挑戰(zhàn)。

　　基于S32V234的雙目視覺(jué)ADAS解決方案

　　S32V234片上具有兩路MIPI-CSI2相機(jī)接口，每一路最大可提供6Gbps的傳輸速率，可用于左右兩路相機(jī)的視頻輸入。由于兩路相機(jī)分別輸入兩個(gè)MIPI通道，需要考慮二者之間的同步問(wèn)題。在外部圖像傳感器的配合下，S23V324能夠支持不同的同步方式。如圖3所示，圖像傳感器通常具有場(chǎng)同步信號(hào)（VSYNC）和行同步信號(hào)（HSYNC）來(lái)進(jìn)行信號(hào)同步：當(dāng)兩路相機(jī)工作在主從模式時(shí)，由Master向Slave發(fā)送同步信號(hào)；當(dāng)兩路相機(jī)都工作在從模式時(shí)，可以由S32V234內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生同步信號(hào)，同時(shí)發(fā)送給兩路相機(jī)。

　　圖3：雙目相機(jī)同步方案

　　在S32V234獲取外部相機(jī)的圖像信號(hào)后，可以由內(nèi)部的ISP進(jìn)行預(yù)處理。ISP模塊包含多個(gè)針對(duì)ISP功能進(jìn)行優(yōu)化的處理單元，利用片上SRAM對(duì)輸入信號(hào)和中間處理結(jié)果進(jìn)行緩存，并采用一個(gè)基于ARM Cortex M0+的專用協(xié)處理器來(lái)管理ISP處理單元的時(shí)序，從而實(shí)現(xiàn)圖像信號(hào)的像素級(jí)處理。由于ISP位于芯片內(nèi)部并且可以靈活編程，所以不僅能夠節(jié)省雙目相機(jī)外置ISP的成本，而且其運(yùn)算資源和帶寬能夠支持對(duì)雙路高達(dá)1080p@30fps圖像信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，保證了雙路圖像信號(hào)的質(zhì)量和一致性。

　　在雙目視覺(jué)ADAS應(yīng)用中，最大的挑戰(zhàn)來(lái)自于對(duì)兩路圖像進(jìn)行立體匹配和三維重構(gòu)所需要的巨大運(yùn)算量。以FCW應(yīng)用為例，既要求視差信號(hào)的提取具有足夠的精度以保證測(cè)距精度，又要求處理幀頻維持一定水平以保證預(yù)警的響應(yīng)速度，因此要求嵌入式平臺(tái)具有足夠的處理能力。S32V234中集成的圖像加速引擎APEX2的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其并行計(jì)算結(jié)構(gòu)和專用DMA等設(shè)計(jì)保證了對(duì)圖像信號(hào)具有極高的處理效率。具體來(lái)說(shuō)，ISP對(duì)圖像信號(hào)預(yù)處理完畢后送入DDR，APEX2引擎將圖像分割后經(jīng)由專用DMA將其送入每個(gè)CU對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存CMEM中，而立體匹配所需要的塊匹配（Block Matching）等算法可以在不同的CU中并行處理，處理完畢后的數(shù)據(jù)經(jīng)由DMA送回DDR，由CPU進(jìn)行進(jìn)一步處理（如生成預(yù)警信號(hào)），或送至專門的DCU（Display Control Unit）模塊輸出顯示。

　　圖4：APEX2架構(gòu)及圖像處理示意圖

　　綜上所述，基于S32V234的雙目視覺(jué)應(yīng)用數(shù)據(jù)流如圖5所示。在該應(yīng)用中，數(shù)據(jù)流按照ISP-APEX2-DCU的方向流動(dòng)，A53作為主控CPU完成邏輯控制和必要的數(shù)據(jù)處理。通過(guò)這種流水線式的處理方式，可以使各部分計(jì)算資源充分利用，提高計(jì)算效率。

　　圖5：基于S32V234的雙目視覺(jué)數(shù)據(jù)流

　　利用S32V234開(kāi)發(fā)板搭建雙目視覺(jué)平臺(tái)，對(duì)雙路720p@30fps視頻信號(hào)進(jìn)行處理，其輸出結(jié)果如圖6所示。其中從左至右的三幅圖中目標(biāo)與相機(jī)的距離分別為1m，2m，3m，顯示結(jié)果以冷暖色調(diào)的變化表征目標(biāo)距離。結(jié)果表明，S32V234能夠?qū)﹄p目視覺(jué)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，正確得到三維測(cè)距結(jié)果，同時(shí)輔以芯片的各項(xiàng)安全性設(shè)計(jì)，可以滿足雙目視覺(jué)ADAS系統(tǒng)的需求。

　　圖6：S32V234雙目視覺(jué)顯示結(jié)果

　　總結(jié)

　　恩智浦的視覺(jué)ADAS專用芯片S32V234集成了圖像信號(hào)處理器ISP，圖形加速引擎APEX2，3D GPU等專用計(jì)算單元，通過(guò)流水線式的處理架構(gòu)使各個(gè)異構(gòu)計(jì)算資源充分利用；不同計(jì)算模塊對(duì)OpenCV ，OpenCL和OpenVG等多種API的支持增強(qiáng)了算法的可移植性；而符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的功能安全設(shè)計(jì)使得芯片能夠滿足ADAS系統(tǒng)對(duì)安全性的嚴(yán)苛需求。S32V234支持包括雙目視覺(jué)在內(nèi)的多種視覺(jué)ADAS和傳感器數(shù)據(jù)融合解決方案，使得我們?cè)谕ㄍ鶡o(wú)人駕駛的道路上邁出堅(jiān)實(shí)的一步。