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低功耗FPGA实现嵌入式视觉

Low Power FPGAs Enabling Embedded Vision
Posted 03/12/2020 by Bob O’Donnell

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科技领域最引人入胜的一个新应用当属赋予机器眼观六路的能力——这被称为机器视觉或嵌入式视觉。如今价格低廉的摄像头传感器运用越来越广泛,人工智能和机器学习软件算法不断取得新进展,加之使用专门的半导体芯片来执行运算,因此在各类设备上添加智能视觉功能变得相对简单,成本更低。实际上,从工业机器到汽车系统和消费电子领域的各种应用都已开始将嵌入式视觉功能集成在产品中。

人们希望嵌入式视觉可以达到人类视觉功能的高度。微型摄像头之类的传感器可以像人眼一样“看到”它们周围的物体,然后将信号传输到计算机“大脑”,解读看到的内容并采取行动。这一功能强大的技术不久前还是科幻的产物,然而现在它已用于实现各种功能。例如在汽车应用中,摄像头传感器、软件和专用芯片相互协调,可以识别周边环境中的物体,并作出相应反应,让汽车更加智能。对于全自动驾驶汽车这类应用而言,这显然至关重要。此外,如今的新型汽车辅助驾驶的一些重要功能也离不开嵌入式视觉,例如自动刹车、车道偏离规避等。

嵌入式视觉也在不断完善安防摄像头和智能门铃等消费电子产品。例如,房子周围有小狗靠近时,你不会收到有入侵者的错误警报。有了嵌入式“智能”视觉,摄像头可以准确识别小狗,并知道它们并不构成威胁,避免发出不必要的警报,影响系统的运作和警报可信度。在工业环境下,嵌入式视觉可实现各种功能,如快速分类物品或检测产品瑕疵,与人工操作相比,速度和效率得到极大提升,因此可降低成本,提升产品质量。

过去几年里,人们采取了很多方法,使用了不同的芯片架构来实现嵌入式视觉中的识别和解析功能。最早期的设计往往造价非常昂贵,功耗很高。不适合那些对成本非常敏感或需要较高能效(因为这些设备往往使用电池供电)的应用。后来证明,低功耗FPGA是承担这类工作的理想选择。

由于FPGA具有可编程特性,并且可以重复编程来高效执行特定的任务(参见博文《FPGA初探》),因此它们在产品生命周期的许多阶段都是实现机器视觉应用的理想工具。在产品开发初期,嵌入式视觉软件算法处于不断演化和改进的状态,对于运行这些算法的硬件,其要求也在不断变化。FPGA的可重新编程特性使其成为不断变动环境下的绝佳选择。此外,即便产品的参数已经确定,后续还需不断完善和演进算法,进一步改善产品性能。FPGA灵活架构的重要性再次得以体现。在某些情况下,这种灵活性甚至可以让开发者在产品的整个生命周内新增全新功能。FPGA新版本的算法和架构调整可以通过在线升级实现。

除了这些基本的架构方面的优势外,某些FPGA提供的特性还能为现有设计新增嵌入式视觉功能。例如,莱迪思半导体最新推出的CrossLink-NX FPGA可以利用多个传感器或摄像头输入,构建更为复杂的系统。许多低功耗CPU仅有一个传感器/摄像头接口,在某些应用中会受到较大限制。此外,FPGA经常可用作摄像头传感器和CPU之间的桥接器件,提供必要的连接,让CPU专注于它需要处理的任务,让FPGA进行图像解析。对于一些时序要求高的应用,FPGA的优势是总能够在相同的时间内执行特定的功能。系统若使用CPU进行图像识别任务,不管CPU在某个特定的时间内还需要做哪些工作,FPGA可以将机器视觉任务置于一个队列中,稍微更改任务完成的时序。

有了正确的接口和软件工具,就有可能将基于FPGA的嵌入式视觉模块集成到现有机器或设备中。莱迪思在接口桥接方面有着非常丰富的经验,提供支持低成本MIPI标准的各类模块。MIPI标准常用于连接处理器和图像传感器,广泛用于智能手机及其他多达数百万计的设备中。因此,公司可以非常简单、低成本地将这些模块用于它们的产品中,让机器拥有智能视觉。

当然,硬件只是实现嵌入式视觉系统的关键之一。为了确保开发人员拥有简单快速开发嵌入式视觉系统所需的设计软件和其他资源,莱迪思提供了解决方案集合,包括了所需的硬件、设计软件、各类IP和参考设计。针对嵌入式视觉市场,莱迪思推出了mVision解决方案集合,为客户提供打造支持新兴技术的嵌入式系统所需的一切资源。尽管软件部分很容易被忽视,但事实是大多数公司对嵌入式视觉都没有太多经验。因此,想要尽可能简单地设计、使用以及集成这些功能,mVision是不可或缺的工具。

将智能特性赋予各类机器和设备无疑将带来的巨大的机遇,这也正是每一位工业和消费电子领域的制造商孜孜以求的,嵌入式视觉的新应用正在释放无限可能性。想要在起跑线上争得一席之地,的确需要一番努力。制造商伙伴可以通过使用简单易用的解决方案集合,让他们的事业扬帆起航,实现愿景指日可待。

Bob O’Donnell是市场研究公司 TECHnalysis Research的总裁兼首席分析师,该公司为技术行业和专业金融领域提供战略咨询和市场研究服务。您可以在Twitter上关注他@bobodtech

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