高性能DSP的嵌入式视觉应用:借机器一双慧眼

　《泰坦尼克号》3D版在全球热播。时隔15年，这段凄美故事仍然叫人唏嘘。泰坦尼克号沉没原因虽然还存在着许多分歧，但撞上冰山的事实却是肯定的。关于泰坦尼克号撞击冰山的原因最终归结到，船员因未能找到望远镜(因为当时船上唯一的一副双筒望远镜被二副锁在了柜子里，而那位保管柜子钥匙的二副最后并没有上船)，瞭望员不得不用肉眼观测，当发现冰山时，为时已晚。

　　肉眼的观察能力是有限的，千百年来人们一直在通过各种途径来弥补或替代肉眼的缺陷。随着科技的进步，这类工具从原先单纯的视觉模拟功能逐渐加入了更多的智能处理功能。例如，在智能安防监控领域，监控设备除了替代人眼提供7×24小时全天候、不眨眼的视频录像外，还可以提供对特殊事件预警或该类事件发生时提高录像清晰度等功能;在汽车领域，当您以高速度在公路上行驶时而忽视了前方进城限速的标志，这时候汽车中的另一双“眼睛”就会发出警告提醒您限速行驶……

　　类似的应用正在以“嵌入式视觉”的概念迅速走入我们的生活，受到越来越多的关注。在2012年初的拉斯维加斯国际消费电子展(CES)上，嵌入式视觉被评为十大改变今年消费电子市场的技术之一。根据IMS Research预计，到2015年，将有35亿电子系统有视觉能力，包括智能手机、电视和汽车驾驶员辅助系统(ADAS)等。

　　嵌入式视觉应用的“前世今生”

　　其实，“嵌入式视觉”这个概念的提出并不久，但类似的应用已经在很多行业走过若干年的研发、应用历程，包括智能视频监控、生物识别、智能机器人、工业及医疗行业的机器视觉，以及目前在汽车行业极受关注的ADAS，等等。

　　ADI 是业界对嵌入式视觉的技术开发和应用走在前列的半导体公司之一，ADI认为对于当今和很多未来的工业、医疗和消费电子视觉应用开发，提供能够使产品“看见”并做出响应的元器件至关重要。为此，ADI提供了多种嵌入式视觉信号链器件，例如数字信号处理器(DSP)、编/解码器、HDMI收发器、放大器和特殊电源管理 IC，使部署各种各样的视觉应用变得极其便利。特别是Blackfin器件在早期的“嵌入式视觉”应用中有广泛的应用，下面是四个具有代表性的早期“嵌入式视觉”应用成功案例。　　

 

　　⒈六年前的德国Aglaia GmbH 公司开发上市汽车驾驶员辅助视觉传感器系统，其实时电子眼方案由硬件和软件组成(核心处理器采用了双核Blackfin ADSP BF561)，模仿人类从眼球(图像捕捉)到大脑(图像分析和阐释)的视觉系统。Aglaia的系统能够通知驾驶员前方的交通标志，对潜在的交通冲突发出警告，自动限速，当驾驶员驶出车道线时发出警告。该系统甚至可以提供“疲劳分析”帮助驾驶员避免碰撞。

　　⒉视觉辅助技术的领先公司 Enhanced Vision(EV)为增长迅速的视力受损群体提供先进的技术解决方案，选择了Blackfin BF561处理器用于其最新一代的电子低视力辅助设备，那些视力受损群体可以借助这一技术在家中或者在购买食物或药品时实现生活自理。

　　⒊韩国首尔的Qritek公司利用其新型IRIBIO鼠标生物识别系统可以帮助您“密切注视”——该系统使用微型照相机与嵌入式虹膜认证引擎电路板，非常方便地安装在计算机鼠标中，嵌入在鼠标内部的软件利用用户特有的虹膜模式作为口令处理认证，注册和认证数据也安全地存储在鼠标内部，与PC机分开，避免来自黑客的威胁。

　　⒋南京新奕天科技公司与香港大学合作开发出智能、自主的视频分析设备——ThinkSmart V1，通过监控现场视频数据，对目标进行检测、跟踪、分类，并分析目标的行为，实时发送预警信息。

　　正如嵌入式视觉联盟创始人Jeff Bier所指出：“视觉算法对计算能力的要求非常高，而且差异甚大。”在上述的应用中都采用了高性能的Blackfin处理器，其中又以首个高性能双核Blackfin处理器BF561的应用为主。视觉演算法与应用大大地延伸了处理器性能要求的范围，处理器的性能至关重要。　　

 

　　“在许多嵌入式系统中，设计人员面临着尺寸、功耗与成本等严苛的限制条件，因此，能够以低成本与低功耗提供充分的处理能力是至关重要的。”Jeff Bier对嵌入式视觉应用具有深刻的认识，这样的观点也是当前嵌入式视觉应用的主要趋势之一。ADI 最新推出的 Blackfin ADSP-BF609和ADSP-BF608 处理器就适时地迎合了当前和未来嵌入式视觉应用的这些需求趋势，旨在以高性价比、低功耗将复杂的多功能分析技术推广到多种级别的嵌入式视觉应用。

　　ADSP-BF608/9为嵌入式视觉应用带来双核高性能处理器

　　无论是从最初的视频监控应用到汽车视觉ADAS系统以及各种创新型的嵌入式视觉应用，最根本的要求是“视觉”——满足需求清晰度的视频处理。而另一方面，当前嵌入式视觉更加注重融入智能分析特性，这对嵌入式系统处理器提出了更高的要求，需要更快速的视频处理能力和更强大的智能运算分析能力。

　　ADSP-BF608/9在设计之初充分考虑到这些应用需求，针对嵌入式视觉应用进行了优化，并均配备一种称为“流水线视觉处理器(PVP) ”的高性能视频分析加速器——PVP由一组可配置的处理模块构成，设计用于加速多达5个并行图像算法，从而实现极高的分析性能，每秒可实现250亿次的数学运算，可以完成的功能包括对象监测、跟踪和识别等。

　　“当前业界在视频分析算法上尚没有统一标准，每一个客户的算法千差万别，因此处理器需要针对客户的不同算法提供足够的灵活性。”ADI DSP亚太区业务经理陆磊指出。“ADSP-BF608/9的PVP模块提供足够的灵活性，是一种灵活的视频处理引擎，具体来说，包括卷积、缩放、算数模块等12个高性能、配置灵活的信号处理模块，支持各种常用算法。”陆磊进一步分享道，“视频进入PVP后将经过滤波器、索菲尔边沿检测、极坐标变换、边沿分裂。以800×480分辨率的视频图像为例，如果这部分运算不是在PVP而是在Blackfin中运算，需要3个500MHz的Blackfin内核。”

　　对于当前的嵌入式视觉应用，低功耗也是一个重要的特性需求。PVP的高性能不仅节省了内核资源，提高了处理器的运算能力，还大大降低了功耗。此外，在PVP设计时进行了特别的优化，可以简化对内存存储以及读写，其中一个重要的好处就是低功耗，因为处理器在读写内存的时候通常会消耗更多的功耗。

　　除了高性能PVP带来的低功耗优势外，BF60x系列具有动态电源管理，处理器可以调节不同的时钟频率以提供相应的功率(例如，当处理器的时钟频率降低25%时，BF608/9的功耗也会随之降低25%)。另外，BF608/9基于一种选通时钟内核设计，可按照逐条指令来选择性地切断功能单元的电源，还支持多种针对所需 CPU 动作极少(或根本不需要 CPU 动作)期间的省电模式。因此，ADSP-BF608/9的低功耗特性突出，在25℃时典型功耗为400mW。

　　另外，BF608/9有丰富的外设和连接存储器接口：DDR2、LPDDR、RSI(移动存储接口，支持MMC、SD、SDIO和CE-ATA)连接能力;USB2.0、以太网、5类串行接口、用于CMOS传感器和LCD的ePPI;用于高速多处理的链路端口(Link Port)。丰富的接口为客户的设计多样性提供了很好的支持。

　　性价比永远是市场竞争的关键利器，而对于刚开始风生水起的嵌入式系统来说尤其如此。陆磊表示：“ADI在为BF608和BF609的设定性能目标时，注重的不仅是DSP的时钟频率和处理能力，还包括性能价格比、性能功耗比、性能面积比。”

　　ADSP-BF608/9的典型应用

　ADSP-BF608/9集成的PVP有多达5种视频分析功能，单个处理器可以满足所有嵌入式视觉应用，是当前许多嵌入式视觉应用的适合之选，例如高级汽车辅助驾驶系统、工业机器视觉和安防/监控系统等。

　　⒈安防监控

　　未来的监控市场发展在于智能分析，而且是在高清监控的基础上智能分析才能发挥得淋漓尽致。对于安防应用来说，涉及的面很广，通常不同厂商和终端客户都有这样或那样不同的需求，包括清晰度、实时处理以及功能上的差异化需求。比如有些用户是地铁系统的，他们需要的功能是检测是否跨越候车的黄线，人群密度是否过大，是否有可疑的遗留物体等;有些用户是银行系统的，他们所需要的是ATM机的智能监控，如分析是否有安装假键盘、安装吞卡器，在ATM机是否有暴力行为，是否出现犯罪分子的人脸等。

　　因此，越来越多的安防应用需要加入智能识别算法，例如在指定的时间加入的车辆、行人出入数量、反向行驶的检测、车牌识别等等。这种应用中，BF608/9可以作为协处理器，将视频进行分析，然后将结果送回主处理器。与一般把所有视频全部存储的系统相比，后者需要比较高的带宽和存储，前者可以实现只存储需要的东西，从而节省硬盘空间，降低系统整体成本。这种应用对DSP的传输要求越来越高，一方面要求图像预处理算法尽量优化、精简，另一方面也对图像预处理主芯片的内核处理能力、内部总线架构、数据传输能力、外围接口，以及硬件整体架构和指令集对预处理算法的支持提出了更高要求。在视频分析能力方面， BF609支持高清分析，BF608支持VGA视频分析，用户可以根据所需灵活选择。　　

 

　　⒉在ADAS上的应用

　　根据德国INVENT-FAS(智能交通和用户友好技术—驾驶辅助主动安全技术)协会公布的道路交通事故主要原因分析报告：大约28%的事故是行驶过程中并线或变道造成的;大约24%的事故是追尾造成的;大约15%的事故是因为驶离公路造成的。为汽车开发碰撞报警、车道偏离报警、变道报警、行人检测等多视频处理能力成为汽车驾驶辅助系统(ADAS)设计成为设计重点。　　

 

　　视觉ADAS系统通常包括视频放大、编码、传输、解码、处理和显示功能，摄像头分辨率趋向于越来越高，数量越来越多，功能也越来越多，传统的解决方案面临越来越大的挑战。Blackfin处理器在汽车视觉ADAS上已经有成熟的应用，能够提供成熟可靠的高性能视频处理解决方案，适用从单功能到多功能的各种系统，而BF608/9的推出为工程师提供了更新的选择。“虽然汽车厂商对ADAS实现的目标是统一的，但对精度、灵敏度等不同要求导致每一个客户的算法标准千差万别。”陆磊指出，“目前市场上有不少ADAS解决方案，但BF608/9在实现灵活的算法上具有独特优势，Blackfin基于软件的结构有助于用户推出与众不同的终端产品，让客户可以加上自己的算法。”除了Blackfin系列处理器，ADI还提供品种丰富、性能优异的视频编/解码器、视频多路复用器/开关和视频放大器，而优化的编译器和“图像工具箱”算法库能够最大程度地提高效率和MIPS。　　

 

　　⒊条形码图像处理

　　条形码图像处理面临条形码色损、反光、弯曲等导致的图像不清晰，在一个很大的平面内如何定义这是一个条形码，通常涉及到复杂的算法。过去在一些条形码的高端运算中，基本是基于FPGA来实现，而现在采用BF608/9处理器，可以通过运算来消除噪声和失真，设计工程师就可以完全省略掉FPGA，帮助实现低成本的设计。

　　参考文献：
　　[1]ADSP-BF606~609[R/OL].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADSP-BF6xx_ds_PrF.pdf
　　[2]Martin C., Gray L.Emulator and Evaluation Hardware Troubleshooting Guide for CCES Users[R/OL].(2012-9-28).http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/EE356v1.pdf
　　[3]Pellkofer A.UART Enhancements on ADSP-BF60x Blackfin Processors[R/OL].(2012-8-1).http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/EE354.pdf
　　[4]Blackfin增强了ThinkSmart V1功能，提供智能视频安全和监控[R/OL].http://www.analog.com/zh/content/Blackfin_Powers_ThinkSmart_V1/fca.html
　　[5]Aglaia公司基于Blackfin处理器的“电子眼”警告司机车道偏离，调整速度[R/OL].http://www.analog.com/zh/processors-dsp/blackfin/products/customer-case-studies/aglaia_visual_sensor_systems/resources/fca.html