高性能DSP的嵌入式視覺(jué)應用:借機器一雙慧眼

　　摘要：嵌入式視覺(jué)被評為十大改變2012年消費電子市場(chǎng)的技術(shù)之一，根據IMS Research預計，到2015年，將有35億電子系統有視覺(jué)能力。本文分析了用ADI的DSP實(shí)現嵌入式視覺(jué)的部分應用案例。

　　《泰坦尼克號》3D版在全球熱播。時(shí)隔15年，這段凄美故事仍然叫人唏噓。泰坦尼克號沉沒(méi)原因雖然還存在著(zhù)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到，船員因未能找到望遠鏡(因為當時(shí)船上唯一的一副雙筒望遠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(méi)有上船)，瞭望員不得不用肉眼觀(guān)測，當發(fā)現冰山時(shí)，為時(shí)已晚。

　　肉眼的觀(guān)察能力是有限的，千百年來(lái)人們一直在通過(guò)各種途徑來(lái)彌補或替代肉眼的缺陷。隨著(zhù)科技的進(jìn)步，這類(lèi)工具從原先單純的視覺(jué)模擬功能逐漸加入了更多的智能處理功能。例如，在智能安防監控領(lǐng)域，監控設備除了替代人眼提供7×24小時(shí)全天候、不眨眼的視頻錄像外，還可以提供對特殊事件預警或該類(lèi)事件發(fā)生時(shí)提高錄像清晰度等功能;在汽車(chē)領(lǐng)域，當您以高速度在公路上行駛時(shí)而忽視了前方進(jìn)城限速的標志，這時(shí)候汽車(chē)中的另一雙“眼睛”就會(huì )發(fā)出警告提醒您限速行駛……

　　類(lèi)似的應用正在以“嵌入式視覺(jué)”的概念迅速走入我們的生活，受到越來(lái)越多的關(guān)注。在2012年初的拉斯維加斯國際消費電子展(CES)上，嵌入式視覺(jué)被評為十大改變今年消費電子市場(chǎng)的技術(shù)之一。根據IMS Research預計，到2015年，將有35億電子系統有視覺(jué)能力，包括智能手機、電視和汽車(chē)駕駛員輔助系統(ADAS)等。

　　嵌入式視覺(jué)應用的“前世今生”

　　其實(shí)，“嵌入式視覺(jué)”這個(gè)概念的提出并不久，但類(lèi)似的應用已經(jīng)在很多行業(yè)走過(guò)若干年的研發(fā)、應用歷程，包括智能視頻監控、生物識別、智能機器人、工業(yè)及醫療行業(yè)的機器視覺(jué)，以及目前在汽車(chē)行業(yè)極受關(guān)注的ADAS，等等。

　　ADI 是業(yè)界對嵌入式視覺(jué)的技術(shù)開(kāi)發(fā)和應用走在前列的半導體公司之一，ADI認為對于當今和很多未來(lái)的工業(yè)、醫療和消費電子視覺(jué)應用開(kāi)發(fā)，提供能夠使產(chǎn)品“看見(jiàn)”并做出響應的元器件至關(guān)重要。為此，ADI提供了多種嵌入式視覺(jué)信號鏈器件，例如數字信號處理器(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(jué)應用變得極其便利。特別是Blackfin器件在早期的“嵌入式視覺(jué)”應用中有廣泛的應用，下面是四個(gè)具有代表性的早期“嵌入式視覺(jué)”應用成功案例?！　?/p>

 

　?、绷昵暗牡聡鳤glaia GmbH 公司開(kāi)發(fā)上市汽車(chē)駕駛員輔助視覺(jué)傳感器系統，其實(shí)時(shí)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(lèi)從眼球(圖像捕捉)到大腦(圖像分析和闡釋)的視覺(jué)系統。Aglaia的系統能夠通知駕駛員前方的交通標志，對潛在的交通沖突發(fā)出警告，自動(dòng)限速，當駕駛員駛出車(chē)道線(xiàn)時(shí)發(fā)出警告。該系統甚至可以提供“疲勞分析”幫助駕駛員避免碰撞。

　?、惨曈X(jué)輔助技術(shù)的領(lǐng)先公司 Enhanced Vision(EV)為增長(cháng)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(mǎi)食物或藥品時(shí)實(shí)現生活自理。

　?、稠n國首爾的Qritek公司利用其新型IRIBIO鼠標生物識別系統可以幫助您“密切注視”——該系統使用微型照相機與嵌入式虹膜認證引擎電路板，非常方便地安裝在計算機鼠標中，嵌入在鼠標內部的軟件利用用戶(hù)特有的虹膜模式作為口令處理認證，注冊和認證數據也安全地存儲在鼠標內部，與PC機分開(kāi)，避免來(lái)自黑客的威脅。

　?、茨暇┬罗忍炜萍脊九c香港大學(xué)合作開(kāi)發(fā)出智能、自主的視頻分析設備——ThinkSmart V1，通過(guò)監控現場(chǎng)視頻數據，對目標進(jìn)行檢測、跟蹤、分類(lèi)，并分析目標的行為，實(shí)時(shí)發(fā)送預警信息。

　　正如嵌入式視覺(jué)聯(lián)盟創(chuàng )始人Jeff Bier所指出：“視覺(jué)算法對計算能力的要求非常高，而且差異甚大。”在上述的應用中都采用了高性能的Blackfin處理器，其中又以首個(gè)高性能雙核Blackfin處理器BF561的應用為主。視覺(jué)演算法與應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>

 

　　“在許多嵌入式系統中，設計人員面臨著(zhù)尺寸、功耗與成本等嚴苛的限制條件，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(jué)應用具有深刻的認識，這樣的觀(guān)點(diǎn)也是當前嵌入式視覺(jué)應用的主要趨勢之一。ADI 最新推出的 Blackfin ADSP-BF609和ADSP-BF608 處理器就適時(shí)地迎合了當前和未來(lái)嵌入式視覺(jué)應用的這些需求趨勢，旨在以高性?xún)r(jià)比、低功耗將復雜的多功能分析技術(shù)推廣到多種級別的嵌入式視覺(jué)應用。

　　ADSP-BF608/9為嵌入式視覺(jué)應用帶來(lái)雙核高性能處理器

　　無(wú)論是從最初的視頻監控應用到汽車(chē)視覺(jué)ADAS系統以及各種創(chuàng )新型的嵌入式視覺(jué)應用，最根本的要求是“視覺(jué)”——滿(mǎn)足需求清晰度的視頻處理。而另一方面，當前嵌入式視覺(jué)更加注重融入智能分析特性，這對嵌入式系統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大的智能運算分析能力。

　　ADSP-BF608/9在設計之初充分考慮到這些應用需求，針對嵌入式視覺(jué)應用進(jìn)行了優(yōu)化，并均配備一種稱(chēng)為“流水線(xiàn)視覺(jué)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成，設計用于加速多達5個(gè)并行圖像算法，從而實(shí)現極高的分析性能，每秒可實(shí)現250億次的數學(xué)運算，可以完成的功能包括對象監測、跟蹤和識別等。

　　“當前業(yè)界在視頻分析算法上尚沒(méi)有統一標準，每一個(gè)客戶(hù)的算法千差萬(wàn)別，因此處理器需要針對客戶(hù)的不同算法提供足夠的靈活性。”ADI DSP亞太區業(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(lái)說(shuō)，包括卷積、縮放、算數模塊等12個(gè)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(guò)濾波器、索菲爾邊沿檢測、極坐標變換、邊沿分裂。以800×480分辨率的視頻圖像為例，如果這部分運算不是在PVP而是在Blackfin中運算，需要3個(gè)500MHz的Blackfin內核。”

　　對于當前的嵌入式視覺(jué)應用，低功耗也是一個(gè)重要的特性需求。PVP的高性能不僅節省了內核資源，提高了處理器的運算能力，還大大降低了功耗。此外，在PVP設計時(shí)進(jìn)行了特別的優(yōu)化，可以簡(jiǎn)化對內存存儲以及讀寫(xiě)，其中一個(gè)重要的好處就是低功耗，因為處理器在讀寫(xiě)內存的時(shí)候通常會(huì )消耗更多的功耗。

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

　　另外，BF608/9有豐富的外設和連接存儲器接口：DDR2、LPDDR、RSI(移動(dòng)存儲接口，支持MMC、SD、SDIO和CE-ATA)連接能力;USB2.0、以太網(wǎng)、5類(lèi)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(hù)的設計多樣性提供了很好的支持。

　　性?xún)r(jià)比永遠是市場(chǎng)競爭的關(guān)鍵利器，而對于剛開(kāi)始風(fēng)生水起的嵌入式系統來(lái)說(shuō)尤其如此。陸磊表示：“ADI在為BF608和BF609的設定性能目標時(shí)，注重的不僅是DSP的時(shí)鐘頻率和處理能力，還包括性能價(jià)格比、性能功耗比、性能面積比。”