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作者：Alok Sanghavi，Achronix Semiconductor資深產(chǎn)品營銷經(jīng)理 帶有多個高分辨率攝像頭的嵌入式360°視域視覺系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了各種應(yīng)用中，如汽車傳感器融合、視頻監(jiān)控、目標(biāo)檢測、運動分析等。在此類系統(tǒng)中，多個實時攝像機的視頻流（最多6個） 被匯聚在一起逐幀處理，進(jìn)行失真和其他圖像偽影校正，調(diào)整曝光和白平衡，然后動態(tài)拼接成一個360°全景視圖，以4K清晰度和60 fps幀頻輸出，最終投影到一個球形坐標(biāo)空間上。 
目前用于此類應(yīng)用的高分辨率魚眼相機鏡頭通常具有一個廣角視域（FOV）。環(huán)視相機系統(tǒng)最大的瓶頸之一是: 實時到或從外部存儲器存儲/讀取和訪問多路攝像機輸入數(shù)據(jù)，然后將其作為一個單一幀進(jìn)行處理。硬件需要在一幀延遲內(nèi)，在輸入攝像機傳入的原始傳感器數(shù)據(jù)和拼接輸出視頻之間完成處理運行。 高性能計算平臺一直朝著與CPU一起協(xié)同使用FPGA的方向發(fā)展，以便為實時圖像處理任務(wù)提供專門的硬件加速。 這種配置使得CPU能專注于特別復(fù)雜的算法，其中它們可以快速切換線程和上下文，并將重復(fù)性任務(wù)分配給一個FPGA，以充當(dāng)可配置的硬件加速器/協(xié)處理器/卸載引擎。 即使將FPGA和CPU作為分立器件使用，系統(tǒng)也可以提高整體效率，因為這些技術(shù)不會發(fā)生沖突，而是像將手套戴在手上一樣來配合在一起。 例如，從魚眼鏡頭獲得的圖像遭受嚴(yán)重失真之苦，因而基于多個相機視頻生成的拼接操作是高度計算密集型的任務(wù)，其原因為它是點像素操作。這種拼接需要大量的實時圖像處理和高度并行化的架構(gòu)。但是，這種下一代的應(yīng)用超過了FPGA可不斷接續(xù)實現(xiàn)的性能，主要是由于芯片吞吐數(shù)據(jù)的延遲。這反過來會影響整個系統(tǒng)的整體延遲、吞吐速度和性能。 在一個SoC中加入可與CPU一起嵌入的eFPGA半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán)（IP）。與一個獨立的FPGA芯片加CPU解決方案相比，嵌入式FPGA陣列結(jié)構(gòu)具有獨特的優(yōu)勢，主要優(yōu)勢在于性能更強。一個eFPGA可通過一個寬的并行接口直接連接到ASIC（無I / O緩沖器）上，提供顯著提高的吞吐量，以及以個位數(shù)時鐘周期來計數(shù)的延遲。低延遲是復(fù)雜的圖像實時處理過程的關(guān)鍵，例如糾正魚眼鏡頭的失真這樣的處理。 利用Speedcore eFPGA IP，客戶可以定義其邏輯、內(nèi)存和DSP資源需求，然后Achronix可配置其IP以滿足他們的需求。查找表（LUTs）、RAM單元塊和DSP64單元塊可以像積木一樣進(jìn)行組合，為任何給定的應(yīng)用創(chuàng)建最佳的可編程結(jié)構(gòu)。 除了標(biāo)準(zhǔn)邏輯、嵌入式存儲器和DSP單元模塊之外，客戶還可以在Speedcore eFPGA結(jié)構(gòu)里面定義他們自己的功能塊。通過把這些定制功能模塊與傳統(tǒng)構(gòu)建模塊一起集成到邏輯陣列結(jié)構(gòu)中，可添加優(yōu)化過的功能來減少面積和提高目標(biāo)應(yīng)用的性能，可使eFPGA的性能得到極大的提高，特別是對嵌入式視覺和圖像處理算法非常有效。 用自定義單元塊來成功地解決高性能圖像處理就是一個很好的例子，在實現(xiàn)您只看一次（YOLO）這一種使用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的、最先進(jìn)的、實時對象檢測算法時，可以優(yōu)于早期的方法大大提高性能。該算法依賴于大量的矩陣乘法器，而在FPGA中實現(xiàn)時，這些矩陣乘法器需要使用DSP和RAM模塊來構(gòu)建；YOLO所需要的DSP和RAM模塊之間的最佳配置，與一個典型的FPGA陣列結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的不匹配之處就會出現(xiàn)問題。例如，F(xiàn)PGA陣列結(jié)構(gòu)可能提供18×27乘法/累加單元塊和32×128 RAM的DSP單元塊，而此時的最佳解決方案可能是帶有48×1024 RAM的16×8 DSP單元塊。通過創(chuàng)建實現(xiàn)最佳DSP和RAM模塊配置的定制單元塊，所得到的Speedcore陣列結(jié)構(gòu)所使用的芯片面積就會減少40％，來實現(xiàn)相同的功能并且能獲得更高級別的系統(tǒng)性能。 在SoC中嵌入FPGA陣列結(jié)構(gòu)提供了兩個額外的系統(tǒng)級好處： 更低的功耗 - 可編程I / O電路占獨立FPGA芯片總功耗的一半，而一個eFPGA可以與主控SoC中的其他模塊直接內(nèi)部線路連接，完全不需要大型可編程I / O緩沖器。 更低的系統(tǒng)成本 - 由于eFPGA只需實現(xiàn)特定功能，eFPGA的裸片尺寸遠(yuǎn)小于等效的獨立FPGA芯片，這是因為eFPGA不再需要可編程的I / O緩沖器和不必要的接口邏輯。 借助超低延遲和實時處理功能，可以有效實現(xiàn)基于360°視域的視覺系統(tǒng)，具有定制單元塊的Speedcore eFPGA與同一主控SoC中的一個CPU配合使用，非常適合去實現(xiàn)專用功能，如目標(biāo)檢測和圖像識別、變形和失真校正、以及最后將最終圖像拼接在一起。在SoC中嵌入FPGA陣列結(jié)構(gòu)是超深亞微米時代系統(tǒng)集成的一個自然發(fā)展過程。 |
