使用TI的Vision AccelerationPac，實(shí)現汽車(chē)可視探測

引言

到2013年9月，谷歌的自主駕駛汽車(chē)已在計算機控制下成功行駛了500000多英里，并且沒(méi)有發(fā)生過(guò)一起交通事故[1]。谷歌具有革命性的無(wú)人駕駛汽車(chē)項目旨在利用攝像頭、雷達傳感器和激光測距儀(以及谷歌的地圖數據庫)監測和引導汽車(chē)行駛，從而提高汽車(chē)駕駛的安全性和效率。谷歌的無(wú)人駕駛汽車(chē)原型車(chē)使用了價(jià)值150,000美元的機器人組件，包括價(jià)值70,000美元的激光雷達系統，因此距離商用還有很長(cháng)的路要走。2013年8月，尼桑汽車(chē)公司宣布計劃于2020年前推出無(wú)人駕駛汽車(chē)，以實(shí)現零交通事故死亡率。自主駕駛汽車(chē)商用化進(jìn)展的重點(diǎn)工作是，如何讓自主駕駛汽車(chē)價(jià)格更低、可靠性和安全性更高。實(shí)現自主駕駛汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一是計算機視覺(jué)，其使用基于攝像頭的視覺(jué)分析，目的是提供高可靠、低成本的視覺(jué)解決方案。盡管基于攝像頭的傳感器成本低于其它技術(shù)，但其處理要求會(huì )急劇增加。今天的系統要求我們處理30幀每秒、1,280x800分辨率的圖像，通常會(huì )同時(shí)要求運行5種以上的算法。德州儀器最新的應用處理器TDA2x基于OMAP5技術(shù)，擁有頂級的Vision AccelerationPac，可以高效率、低成本、可編程和靈活地實(shí)現高級駕駛輔助系統(ADAS)，以支持自主駕駛汽車(chē)的20/20視覺(jué)功能。Vision AccelerationPac是一種可編程加速器，擁有專(zhuān)用硬件單元和定制過(guò)程，可使用高級語(yǔ)言實(shí)現完全編程。它允許視覺(jué)開(kāi)發(fā)人員使用標準處理器架構所不具備的一些高級性能。使用高級語(yǔ)言實(shí)現的Vision AccelerationPac可編程支持，允許終端汽車(chē)制造廠(chǎng)商在算法調整方面進(jìn)行探索，做出一些具有創(chuàng )新性的解決方案。當這些算法遠未成熟時(shí)，這種功能特別重要，并且對于縮短產(chǎn)品上市時(shí)間也至關(guān)重要。

長(cháng)眼睛的汽車(chē)

美國人口普查局的統計數據表明，在美國，平均每年發(fā)生600萬(wàn)起機動(dòng)車(chē)交通事故。16-24歲年青人的交通事故死亡率最高。該統計數據還表明，大多數交通事故的原因均為人為操作失誤。人們相信，給機動(dòng)車(chē)加裝視覺(jué)和智能裝置可以減少人為操作失誤，降低交通事故發(fā)生率，從而挽救生命。另外，人們還認為，汽車(chē)視覺(jué)系統可以幫助緩解交通擁堵，提高公路通行能力，提高汽車(chē)燃油效率，并提高駕駛者的行車(chē)舒適性。

高級駕駛輔助系統(ADAS)是朝著(zhù)完全自主駕駛汽車(chē)的目標邁出的關(guān)鍵性一步。ADAS系統包括但不限于自適應巡航控制、車(chē)道保持輔助、盲點(diǎn)探測、車(chē)道偏離警告、碰撞警告系統、智能速度自適應、交通標志識別、行人保護與物體探測、自適應燈光控制和自動(dòng)泊車(chē)輔助系統。

攝像頭是一種低成本方法，涵蓋許多交通應用環(huán)境，可用于智能分析。立體前置攝像頭可用于自適應巡航控制，監控實(shí)時(shí)交通狀況，幫助保持與前車(chē)的最佳距離。前置攝像頭還可用于車(chē)道保持輔助，讓汽車(chē)保持在車(chē)道中間，也可用于交通標志識別和物體探測。側攝像頭可用于并道監控、盲點(diǎn)探測和行人感知。

攝像頭后臺數據分析功能，讓汽車(chē)擁有類(lèi)似人類(lèi)視覺(jué)的能力。實(shí)時(shí)視覺(jué)分析引擎需要對每一個(gè)視頻攝像幀進(jìn)行分析，提取正確的信息來(lái)做出智能決策。它不僅僅需要超強的計算能力，在瞬間對數據進(jìn)行處理，以讓快速運動(dòng)的汽車(chē)做出正確的機動(dòng)，還需要寬I/O來(lái)提供多個(gè)攝像頭的視覺(jué)分析引擎輸入，從而實(shí)現同步關(guān)聯(lián)。低功耗、低延遲和可靠性也是汽車(chē)視覺(jué)系統的幾個(gè)關(guān)鍵方面。

TI技術(shù)實(shí)現者—Vision AccelerationPac

TI的Vision AccelerationPac是一種可編程加速器，專(zhuān)門(mén)用于滿(mǎn)足汽車(chē)、機器視覺(jué)和機器人市場(chǎng)計算機視覺(jué)應用的處理、功耗、延遲和可靠性需要。Vision AccelerationPac包含一個(gè)或者多個(gè)嵌入式視覺(jué)引擎(EVE)，用于實(shí)現嵌入式視覺(jué)系統的可編程性、靈活性、低延遲處理和功率效率以及小硅片面積，因此可實(shí)現性能與價(jià)格的優(yōu)異結合。相同功率級別下，相比現有ADAS系統，每個(gè)EVE擁有8倍以上的高級視覺(jué)分析計算性能改善。詳情，請參看圖1。

圖1 Cortex-A15相同功率預算時(shí)計算性能為原來(lái)的8倍以上

圖2顯示了Vision AccelerationPac架構。

Vision AccelerationPac內有一個(gè)或者多個(gè)EVE，它是一種視覺(jué)優(yōu)化處理引擎，包括一個(gè)32位自適應專(zhuān)用RISC處理器(ARP32)和一個(gè)512位矢量協(xié)處理器(VCOP)，并使用內置機制和獨特的視覺(jué)專(zhuān)用指令，用于同時(shí)、低開(kāi)銷(xiāo)處理。ARP32包括32KB的程序緩存，用于實(shí)現高效程序執行。它還擁有一個(gè)旨在簡(jiǎn)化調試的內置仿真模塊，并與TI的Code Composer Studio?集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)兼容。共有3個(gè)并行平面內存接口，每個(gè)接口均有256比特加載與存儲帶寬，共提供768比特寬內存帶寬(是大多數處理器內部?jì)却鎺挼?倍)，并擁有共計96KB L1數據內存，可實(shí)現極低處理延遲的同步數據傳送。每個(gè)EVE還具有一個(gè)本地專(zhuān)用直接內存訪(fǎng)問(wèn)(DMA)，用于主處理器內存的數據進(jìn)出傳輸，以實(shí)現快速數據傳送，同時(shí)還有一個(gè)內存管理單元(MMU)，用于地址翻譯和內存保護。為了實(shí)現可靠運行，每個(gè)EVE還在所有數據內存上使用單比特誤差檢測，對程序內存使用雙比特誤差檢測。一個(gè)關(guān)鍵的架構級功能是DMA引擎、控制引擎(RISC CPU)和處理引擎(VCOP)的完全并發(fā)。例如，它讓ARP32 RISC CPU可以在處理一個(gè)中斷命令或者執行順序代碼的同時(shí)，VCOP執行一個(gè)循環(huán)并在底層對另一條語(yǔ)句解碼，并在沒(méi)有任何架構或者內存子系統停止工作的情況下傳送數據。另外，它還通過(guò)硬件郵箱方法，對處理器間通信提供嵌入式支持。大多數高功效視覺(jué)處理中，EVE僅使用400mW的最大總功耗，便實(shí)現了8GMAC處理性能和384Gbps數據帶寬。

圖2 Vision AccelerationPac架構

VCOP矢量協(xié)處理器是一種帶嵌入式環(huán)路控制和地址生成的單指令多數據(SIMD)引擎。它提供每周期16個(gè)16位倍增器的雙8路SIMD，以及500MHz頻率持續數據流量下8GMACS每秒的速度，其由舍入和飽和相關(guān)加載/存儲與內置的零循環(huán)開(kāi)銷(xiāo)維持。它可以三源運行，讓兩個(gè)矢量單元提高兩倍，每個(gè)周期多計算32個(gè)32位。VCOP還具有8個(gè)地址生成單元，每個(gè)均擁有4維地址功能，能夠存儲4個(gè)嵌套循環(huán)和3個(gè)內存接口的地址，從而實(shí)現4級嵌套循環(huán)零開(kāi)銷(xiāo)。它大大減少了迭代像素操作所需的計算周期。矢量協(xié)處理器擁有許多專(zhuān)用通道，用于加速柱狀圖、加權直方圖和查詢(xún)表，并支持一般計算機視覺(jué)處理級，例如：梯度、方向、排序、位交錯/去交錯/置換、全景圖像和局部二進(jìn)制模式。另外，矢量協(xié)處理器還具有一些實(shí)現靈活性和并發(fā)加載存儲運行的專(zhuān)用指令，旨在加速重要解碼和分散/集合運行區，從而實(shí)現非鄰近內存數據的高效處理。它最小化了傳統圖像處理程序所需的常見(jiàn)數據傳輸和拷貝，實(shí)現超快處理性能。同標準處理器架構相關(guān)的各種功能處理速度提高4到12倍是正常的。VCOP本身就支持分散/集合和重要處理區功能。排序是一種常見(jiàn)的計算機視覺(jué)功能，其發(fā)生在一些多用情況下，例如：追蹤目標特性識別和密集光流搜索匹配等。EVE極大加快了自定義指令支持排序，從而使EVE能夠在15.2μ秒內對2048個(gè)32位數據點(diǎn)進(jìn)行排序。

利用標準TI代碼生成工具套件可對Vision AccelerationPac進(jìn)行完全編程，允許直接編譯軟件，并在PC上運行來(lái)模擬。通過(guò)TI的實(shí)時(shí)操作系統BIOS(RTOS)，ARP32 RISC內核可以完全運行C/C++程序。通過(guò)TI的VCOP內核C構建的C/C++專(zhuān)用子集，對VCOP矢量協(xié)處理器編程。VCOP內核C是一種模板化的C++矢量庫，其通過(guò)一種高級語(yǔ)言顯示相關(guān)硬件的各種功能。利用一些標準編譯器(例如：GNU GCC或者M(jìn)icrosoft? MSVC等)，可以在一臺標準的PC或者工作站上評估和驗證寫(xiě)入VCOP內核C的算法。它允許開(kāi)發(fā)人員在算法開(kāi)發(fā)過(guò)程初期融入矢量化和驗證位精確度，并對大量數據集進(jìn)行測試，從而確保算法的穩健性。只需使用TI的代碼生成工具對源代碼進(jìn)行重新編譯，這些算法便可直接運行在Vision AccelerationPac上。寫(xiě)入VCOP內核C的程序有許多優(yōu)點(diǎn);它們經(jīng)過(guò)優(yōu)化后可使用Vision AccelerationPac架構和指令集，擁有特殊的循環(huán)結構，可對矢量數據進(jìn)行操作，并且在C聲明和匯編語(yǔ)言之間有一個(gè)幾乎是一對一的映射，從而得到非常高效的代碼，代碼體積和內存占用較小。

共有超過(guò)100個(gè)Vision AccelerationPac編程舉例。相比VCOP內核C，使用ARM? NEON? SIMD的陣列添加簡(jiǎn)單例子表明，在6個(gè)周期中，ARM可以增加4個(gè)32位值，從而獲得1.5周期每輸出的內循環(huán)性能，同時(shí)，VCOP充分使用其768位加載存儲帶寬，在一個(gè)周期內獲得8個(gè)輸出。該結果相當于1/8周期每輸出的吞吐量，其實(shí)現了12倍于A(yíng)RM的總體周期到周期速度。

Vision AccelerationPac內部EVE的ARP32 RISC內核針對控制代碼和順序處理進(jìn)行了優(yōu)化。它支持運行SYS/BIOS、TI的實(shí)時(shí)操作系統，因此提供了對線(xiàn)程、信號和其它RTOS特性的支持。

EVE受到全套代碼生成工具的支持，包括TI的Code Composer Studio IDE中集成的優(yōu)化編譯器即模擬器。EVE通過(guò)硬件計數器對非侵入式性能監控提供嵌入式支持。它允許用戶(hù)對多個(gè)性能信號進(jìn)行監控，與此同時(shí)，在無(wú)需進(jìn)行任何代碼修改的情況下，應用程序運行并允許深度監控應用程序的運行時(shí)間表現。