如何選擇嵌入式系統中的視覺(jué)處理技術(shù)

隨著(zhù)功能越來(lái)越強大的處理器、圖像傳感器、存儲器和其他半導體器件以及相關(guān)算法的出現，可以在多種嵌入式系統中實(shí)現計算機視覺(jué)功能，通過(guò)視頻輸入來(lái)分析周?chē)h(huán)境。微軟的Kinect游戲控制器和Mobileye的輔助駕駛系統等產(chǎn)品都非常重視嵌入式視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展潛力。結果，很多嵌入式系統設計人員開(kāi)始思考如何實(shí)現嵌入式視覺(jué)功能。本文研究嵌入式視覺(jué)的發(fā)展機遇，對比實(shí)現這一技術(shù)的各種處理器選擇，介紹幫助工程師在其設計中采用視覺(jué)功能的業(yè)界聯(lián)盟。

“嵌入式視覺(jué)”這一名詞是指在嵌入式系統中使用計算機視覺(jué)技術(shù)。換句話(huà)說(shuō)，“嵌入式視覺(jué)”是指從視覺(jué)輸入中提取出其背后含義的嵌入式系統。與過(guò)去10年中無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的流行相類(lèi)似，嵌入式視覺(jué)技術(shù)有望在今后10年得到廣泛應用。

很明顯，嵌入式視覺(jué)技術(shù)能夠為多種應用帶來(lái)巨大的價(jià)值(圖1)。兩個(gè)例子是，Mobileye基于視覺(jué)的輔助駕駛系統，用于幫助防止車(chē)輛事故的發(fā)生；以及MG國際公司的泳池安全系統，旨在防止游泳溺水。還有一些純粹的怪才發(fā)明，Intellectual Ventures的激光滅蚊槍?zhuān)O計用于防止人們感染瘧疾等。

圖1.嵌入式視覺(jué)是從計算機視覺(jué)應用開(kāi)始的，這些應用包括，裝配線(xiàn)檢查、光學(xué)字符識別、機器人技術(shù)、監控和軍事系統等。但是，最近幾年，對降低成本提高性能的需求加速了這一技術(shù)在各種其他市場(chǎng)上的廣泛應用。

正如同高速無(wú)線(xiàn)互聯(lián)是從高成本新奇技術(shù)起步一樣，目前為止，嵌入式視覺(jué)技術(shù)一般只用于復雜昂貴的系統中，例如，毛發(fā)移植的手術(shù)機器人，制造業(yè)的質(zhì)量控制檢查系統等。

數字集成電路的發(fā)展是高速無(wú)線(xiàn)技術(shù)從新奇發(fā)展到主流的關(guān)鍵因素。芯片速度足夠快，成本足夠低，能效足夠高時(shí)，高速無(wú)線(xiàn)技術(shù)便成為市場(chǎng)主流技術(shù)。今天，人們能夠以不到100美元的價(jià)格購買(mǎi)寬帶無(wú)線(xiàn)調制解調器。

同樣的，數字芯片技術(shù)的進(jìn)步為嵌入式視覺(jué)的大批量應用鋪平了道路(圖2)。與無(wú)線(xiàn)通信相似，嵌入式視覺(jué)需要很強的處理能力——特別是，越來(lái)越多的應用采用了高分辨率攝像機，開(kāi)始使用多臺攝像機。以足夠低的成本實(shí)現這類(lèi)處理能力，從而促進(jìn)大批量應用，這是一個(gè)很大的挑戰。事實(shí)是嵌入式視覺(jué)應用需要很強的可編程能力，進(jìn)一步增大了這一挑戰的難度。在無(wú)線(xiàn)應用中，標準意味著(zhù)不同手機之間的基帶算法不會(huì )有太大的變化，與之相比，在嵌入式視覺(jué)應用中，通過(guò)獨特的算法，有可能得到更好的結果——實(shí)現更有價(jià)值的功能。

圖2.嵌入式視覺(jué)輔助系統涉及到硬件、半導體和軟件元器件供應商，子系統開(kāi)發(fā)人員、系統集成商，以及最終用戶(hù)，還有實(shí)現未來(lái)突破的基礎研究等。本文主要關(guān)注圖中顯示的嵌入式視覺(jué)算法處理技術(shù)。

采用嵌入式視覺(jué)，業(yè)界進(jìn)入了一種“良性循環(huán)”，這是很多其他數字信號處理(DSP)應用領(lǐng)域的特點(diǎn)。目前雖然很少有專(zhuān)門(mén)用于嵌入式視覺(jué)應用的芯片，但是，這些應用越來(lái)越多的采用了針對其他應用開(kāi)發(fā)的高性能、高性?xún)r(jià)比處理芯片，包括，數字信號處理器、CPU、FPGA和GPU等。這些芯片單位成本、單位功率的可編程性能越來(lái)越高，因此，能夠支持實(shí)現大批量嵌入式視覺(jué)產(chǎn)品。這些大批量應用也相應的引起了硅片提供商更多的關(guān)注，他們會(huì )提供更好的性能、更高的效率和可編程處理能力。

處理選擇

如前所述，視覺(jué)算法通常需要很強的計算能力。當然，所有的嵌入式系統一般都受限于嚴格的成本和功耗要求。在其他DSP應用領(lǐng)域，例如，數字無(wú)線(xiàn)通信等，芯片設計人員使用專(zhuān)用協(xié)處理器和加速器來(lái)完成應用所要求的苛刻的處理任務(wù)，同時(shí)滿(mǎn)足了高性能、低成本和低功耗需求，從而解決了這一難題。但是，芯片用戶(hù)一般不能對這些協(xié)處理器和加速器進(jìn)行編程。

無(wú)線(xiàn)應用通常能夠接受這些優(yōu)缺點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)應用標準意味著(zhù)不同設備設計人員使用的算法之間有很強的共性。然而在視覺(jué)應用中，對算法的選擇并沒(méi)有標準約束。相反，一般可以選擇很多方法來(lái)解決某一特殊的視覺(jué)問(wèn)題。因此，視覺(jué)算法是非常多樣的，往往隨著(zhù)時(shí)間的變化而迅速變化。結果，與數字無(wú)線(xiàn)和以壓縮技術(shù)為主的消費類(lèi)視頻設備等應用相比，視覺(jué)應用并不傾向于采用非可編程加速器和協(xié)處理器。

但是很難同時(shí)實(shí)現高性能、低成本和低功耗以及可編程功能。專(zhuān)用硬件通常能夠以低成本實(shí)現高性能，但是可編程能力較弱。通用CPU具有可編程能力，但是性能較差，性?xún)r(jià)比不高，能效也較低。要求較高的嵌入式視覺(jué)應用通常結合使用多個(gè)處理單元，例如，可能會(huì )包括：

●通用CPU，用于啟發(fā)式復雜判決、網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)、用戶(hù)接口、存儲管理和總體控制等。

●高性能數字信號處理器，用于實(shí)時(shí)中等速率處理，不太復雜的算法等。

●用于簡(jiǎn)單算法像素速率處理的一個(gè)或者多個(gè)高度并行的引擎。