嵌入式視覺(jué)技術(shù)--潛力巨大，有待開(kāi)發(fā)

“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。而在實(shí)際的應用系統中，嵌入式視覺(jué)技術(shù)如何才能發(fā)揮它的真正潛力呢?

在缺乏共通標準而使嵌入式視覺(jué)技術(shù)發(fā)展受阻之際，需要一種兼容各層面功能的標準，才能真正開(kāi)啟并普及嵌入式視覺(jué)應用。例如，如果基于手勢的用戶(hù)介面變得普及，對于用戶(hù)而言，能夠使用一套具有多種不同機制的通用手勢功能將會(huì )變得十分重要。而如果3D成像成為視覺(jué)應用的共同工具，那么不管使用什么樣的傳感器，我們都將必須為視覺(jué)應用找到一個(gè)重現3D圖形數據的共同方式。

而對于嵌入式視覺(jué)系統所用的處理器，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，就運算能力的這一點(diǎn)而言，處理器的性能至關(guān)重要。但當你跨越學(xué)術(shù)研究到實(shí)際系統的鴻溝，采用先進(jìn)演算法以即時(shí)執行視頻輸入時(shí)，卻不可避免地會(huì )消耗掉許多的處理功率。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份的處理能力是至關(guān)重要的。

而在其它一些要求大量運算的嵌入式處理領(lǐng)域──如隨即浮現于我腦海中的消費性視頻設備──在某種程度上而言，演算法是標準化的。這意味著(zhù)芯片設計人員可以使用功能固定的硬件加速器和協(xié)同處理器，以低功耗和低成本提供大量的處理器運算性能。

但在視覺(jué)應用方面，不同的應用之間往往采用不同的演算法，甚至是在同一款應用中，所用的演算法也可能因設計不同或時(shí)間不同而異。因此，除了極其少數的一些大量應用以外，功能固定的硬件往往無(wú)法作為解決方案。在嵌入式視覺(jué)系統中，我們需要的處理器必須能夠以低成本與低功耗，提供每秒數十億次即時(shí)運算處理性能，并具有彈性化的可編程性能。過(guò)去幾年來(lái)，已經(jīng)有這樣的處理器問(wèn)世，并可協(xié)助嵌入式視覺(jué)技術(shù)進(jìn)一步導入主流應用中。

處理器類(lèi)別的選擇

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。

任何處理器在理論上都可以用于嵌入式視覺(jué)，目前最有可能的類(lèi)型是：

●高性能嵌入式CPU

●專(zhuān)用標準產(chǎn)品(ASSP)與CPU相結合

●具有CPU的圖形處理單元(GPU)

●具有加速器以及CPU的數字信號處理器

●移動(dòng)“應用處理器”

●具有CPU的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)

各類(lèi)處理器，及其在嵌入式視覺(jué)應用上的關(guān)鍵優(yōu)缺點(diǎn)

高性能嵌入式CPU

在很多情況下，嵌入式CPU不能提供足夠的性能實(shí)現要求較高的視覺(jué)算法——也不能夠以可以接受的價(jià)格或者功耗來(lái)滿(mǎn)足性能要求。通常，存儲器帶寬是關(guān)鍵性能瓶頸，因為視覺(jué)算法通常使用大量的數據，不會(huì )重復訪(fǎng)問(wèn)相同的數據。嵌入式CPU的存儲器系統無(wú)法設計適應這類(lèi)數據流。然而，與大部分處理器相類(lèi)似，隨著(zhù)時(shí)間的推移，嵌入式CPU的性能在逐漸增強，在某些情況下，能夠提供足夠的性能。

在可能的情況下，有足夠的理由在CPU上運行視覺(jué)算法。首先，大部分嵌入式系統需要CPU來(lái)實(shí)現各種功能。如果所需要的視覺(jué)功能能夠通過(guò)這種CPU來(lái)實(shí)現，那么，相對于多處理器解決方案相比，這降低了系統的復雜度。而且，大部分視覺(jué)算法一開(kāi)始是在PC上開(kāi)發(fā)的，使用了通用CPU及其相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)工具。PC CPU和嵌入式CPU (及其相關(guān)的工具)之間的相似性意味著(zhù)，與其他類(lèi)型的嵌入式視覺(jué)處理器相比，一般比較容易在嵌入式CPU上通過(guò)嵌入方式實(shí)現視覺(jué)算法。最后，嵌入式CPU 使用起來(lái)通常比其他類(lèi)型的嵌入式視覺(jué)處理器更簡(jiǎn)單，這是因為其相對直觀(guān)的體系結構、成熟的工具以及其他的應用開(kāi)發(fā)基礎支持平臺等，例如，操作系統。

結合了CPU的ASSP

ASSP 是專(zhuān)用、集成度很高的芯片，定制用于特殊應用或者專(zhuān)業(yè)應用。ASSP可以采用CPU，或者使用單獨的CPU芯片。憑借專(zhuān)業(yè)化，與其他類(lèi)型的處理解決方案相比，ASSP通常具有優(yōu)異的成本和能效。在其他技術(shù)中，ASSP通過(guò)使用專(zhuān)用協(xié)處理器和加速器來(lái)提高效率。而且，由于A(yíng)SSP主要集中在專(zhuān)業(yè)應用上，因此，通常需要大量的應用軟件。

這種專(zhuān)業(yè)化使得ASSP能夠實(shí)現很高的效率，但是，也帶來(lái)了很大的局限：缺乏靈活性。設計用于某一應用的 ASSP一般不能用于其他應用，甚至目標應用相關(guān)的應用。ASSP使用唯一的體系結構，與其他類(lèi)型的處理器相比，更難進(jìn)行編程。實(shí)際上，某些ASSP并不支持用戶(hù)編程。另一方面的考慮是風(fēng)險問(wèn)題。ASSP通常由小供應商提供，這可能會(huì )增加難以提供芯片的風(fēng)險，或者無(wú)法提供后續產(chǎn)品以幫助系統設計人員更新其設計，設計人員不得不從頭開(kāi)始進(jìn)行設計。