用FPGA實(shí)現(xiàn)低成本實(shí)時深度感知

　　通常選擇FPGA時，需要評估三個電路方面的需求：

　　●針對利用并行特性的協(xié)處理功能，DSP的功能和性能。

　　●DDR(雙數(shù)據(jù)速率)和LVDS(低電壓差分信號)支持接口至片外SDRAM緩沖存儲器，直接連接到來自攝像機(jī)的圖像數(shù)據(jù)。

　　●安全方案以保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)。

　　對于圖像處理算法，傳統(tǒng)的DSP處理器的并行功能有限，每個DSP芯片只有1到4個乘法器，見圖3中的左面。因此DSP用很高的時鐘速率來進(jìn)行補(bǔ)償，時鐘速率高達(dá)1GHz或更高，以達(dá)到高的吞吐量。需要很快完成的復(fù)雜串行任務(wù)的DSP算法應(yīng)該用DSP處理器實(shí)現(xiàn)。

圖3    DSP處理器與FPGA的比較

　　然而，許多深度感知圖像處理功能需要大量的并行處理，例如線性插值技術(shù)，媒體濾波器和幾何估計。與DSP芯片比較，FPGA可以用并行來執(zhí)行串行功能，以加速系統(tǒng)性能，見圖3的右面所示。例如圖像對應(yīng)是很簡單的算法，比較大量的像素值，或者兩個圖像之間的像素點(diǎn)。為了得到有效均方差的和(SSD)，圖像對應(yīng)算法必須對圖像中的像素進(jìn)行百萬次計算，對串行執(zhí)行功能的DSP芯片來說這是一個挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

　　具有DSP功能的FPGA包含幾個乘法器塊，但是一些FPGA還有嵌入式加法器、減法器和大大增加處理性能的累加器。盡管低成本FPGA以低于300MHz系統(tǒng)時鐘頻率工作，但用片內(nèi)多個DSP塊以并行方式實(shí)現(xiàn)多個DSP功能可以達(dá)到高的DSP吞吐量(3,000 MMAC)。

存儲器和DDR

　　由于有多個乘法器，利用FPGA并行的靈活性有益于存儲器的訪問。能夠容易地并行訪問各種存儲器。片內(nèi)分布式存儲器可以用來建立小的高性能便箋，針對去除白點(diǎn)使用坐標(biāo)的查找表，對于在圖像中再測繪像素是很有用的。片內(nèi)較大的嵌入式存儲器塊能構(gòu)建較大的高性能存儲器，用于FIFO和線緩沖器。

　　片外存儲器DDR II SDRAM可以提供大的高性能存儲器。針對常用于圖像處理，存儲整個幀的DDR SDRAM，F(xiàn)PGA可以為DDR SDRAM提供存儲器控制和接口。

　　較低的時鐘速度(100MHz以下)，DDR存儲器控制器接口是容易做的，可用FPGA中的通用I/O和邏輯實(shí)現(xiàn)。然而在較高的頻率，擁有專門電路的FPGA要求穩(wěn)健的DDR存儲器接口。不是所有FPGA器件都有這些專門電路的，實(shí)現(xiàn)高速DDR存儲器接口的成本和復(fù)雜性差別很大，取決于特殊的FPGA。

LVDS

　　針對攝像機(jī)和通過LVDS接口的視頻芯片集的深度感知，例如攝像機(jī)鏈接， FPGA接口圖像處理引擎。LVDS是低噪聲、低功耗，小擺幅差分信號用于通過銅線傳送高速(每秒吉比特)數(shù)據(jù)。

　　作為一個用于視頻接口的例子是7:1 LVDS接口，有多個LVDS信號對用于數(shù)據(jù)傳送，一個信號對用于時鐘。對一些FPGA來說，這是本身的I/O接口。視頻數(shù)據(jù)通過3個LVDS對進(jìn)入FPGA，I/O結(jié)構(gòu)對這個包進(jìn)行解串，然后把FPGA中并行的數(shù)據(jù)送到邏輯陣列。

安全性

　　因?yàn)樽灾鞯臋C(jī)器人有時用于軍事應(yīng)用，在配置期間FPGA不應(yīng)對系統(tǒng)引入額外的脆弱性。對于基于SRAM的FPGA，配置數(shù)據(jù)來自外部的非易失存儲器。有些FPGA擁有內(nèi)置的128位AES解密引擎，防止黑客通過逆向工程來獲取FPGA中的功能。

　　只要密鑰是未知的，AES配置位流加密提供了保護(hù)措施。然而，非易失FPGA完全去除了這種安全性的風(fēng)險。一些非易失FPGA在同一芯片上組合了Flash和SRAM。上電后SRAM獲得工作配置。這種技術(shù)提供了高配置安全性，同時又利用了SRAM無限次重構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)語

　　支持DSP、差分信號LVDS和DDR II存儲器接口的FPGA使得機(jī)器人的實(shí)時感知成為可能。

　　對于機(jī)器人的立體視覺應(yīng)用，針對實(shí)時圖像處理實(shí)現(xiàn)，CPU、DSP處理器和FPGA協(xié)處理器的組合能夠?qū)π阅芎蛢r格做出最佳的平衡。FPGA能夠處理高度并行差異測繪和深度感知算法。DSP進(jìn)行較少并行處理、高速和簡單代碼的更加復(fù)雜的功能。CPU做需要靈活性和高層軟件實(shí)行的那些部分。

　　基于Flash，非易失LatticeXP2 FPGA支持許多需求，包括LVDS、內(nèi)置DDRII存儲器和完整特性的DSP塊，以及大量的可編程邏輯和存儲器塊支持接口和其它的定制功能。許多DSP知識產(chǎn)權(quán)核和MATLAB SIMULINK使設(shè)計更加便利。Lattice還有基于7:1 LVDS視頻接口的參考設(shè)計和平臺。免費(fèi)參考設(shè)計IP提供的一些功能是色深度轉(zhuǎn)換、亮度、對比度和視頻覆蓋。