飛思卡爾i.MX6應(yīng)用處理器助力機(jī)器視覺應(yīng)用

飛思卡爾MPU亞太區(qū)市場經(jīng)理 李星宇

“當(dāng)你戴上這副眼鏡，它會自動告訴你，你手指所指的東西是什么！”在日前舉行的飛思卡爾技術(shù)論壇上，飛思卡爾CEO Gregg Lowe和以色列OrCam公司創(chuàng)始人Amnon Shashua教授現(xiàn)場演示了Orcam為視力障礙人士設(shè)計(jì)的視覺輔助裝置，現(xiàn)場演示中，當(dāng)這個裝置成功地朗讀出報(bào)紙的一篇新聞，并為演示者辨認(rèn)出一張百元鈔票時，場下掌聲雷動。OrCam表示，全球范圍內(nèi)有超過3億人有視力障礙或視力受損，這項(xiàng)鼓舞人心的成就將為他們帶來新的希望。

該設(shè)備基于飛思卡爾i.MX 6Q處理器。Shashua表示：“i.MX 6Q四核處理器提供卓越性能，并支持全天的續(xù)航，為因視覺障礙而阻礙他們與周圍世界輕松互動的人們設(shè)計(jì)可穿戴、經(jīng)濟(jì)和直觀的解決方案。OrCam能夠幫助視障人士彌補(bǔ)失去的視力，顯著提高其生活質(zhì)量?！?/p>

i.MX 6Q處理器集成4個ARM Cortex-A9內(nèi)核，運(yùn)行速率高達(dá)1.2 GHz，并在內(nèi)部集成了3個GPU，可提供出色性能來處理Orcam產(chǎn)品視覺傳感器捕獲的海量數(shù)據(jù)，支持在單芯片上執(zhí)行所有圖像處理算法和軟件語音編解碼器。

越來越多的機(jī)器視覺創(chuàng)新應(yīng)用正在涌現(xiàn)，其中一個就是先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），德國的DSP Weuffen公司與飛思卡爾合作，推出了基于i.MX6的多攝像頭環(huán)視（Surrounding View）泊車輔助系統(tǒng)，它通過4個攝像頭采集車輛四周的圖像，并以虛擬俯視圖的形式在屏幕上顯示。視角會根據(jù)行車軌跡而動態(tài)移動，提供車輛四周360°的畫面。這一系統(tǒng)可以改善眾多新手的駕駛體驗(yàn)。對于正在進(jìn)入汽車社會的中國來說，這無疑是極具吸引力的賣點(diǎn)。

飛思卡爾還與Intersil公司合作，推出一款經(jīng)濟(jì)型的多攝像頭解決方案，在該方案中，Intersil的TW6865接口芯片可以連接多達(dá)4個CVBS攝像頭，并將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過PCIe接口傳輸至i.MX6，目前已經(jīng)有國內(nèi)的設(shè)計(jì)公司推出了基于該方案的ADAS系統(tǒng)。該方案更可應(yīng)用于公交巴士、樓宇監(jiān)控等場合。

這只是冰山的一角，基于i.MX6的計(jì)算視覺應(yīng)用還包括用于工廠生產(chǎn)線上手機(jī)屏幕品質(zhì)的檢測，該系統(tǒng)可以檢測屏幕亮點(diǎn)、黑點(diǎn)以及灰度值等；在商場或者超市，利用機(jī)器視覺進(jìn)行人流量統(tǒng)計(jì)分析，為商業(yè)大數(shù)據(jù)分析提供支持；在電梯領(lǐng)域，分析各個樓層的人數(shù)，以便進(jìn)行更加高效的調(diào)度；在安保方面，有實(shí)時運(yùn)動物體檢測，并且有Auzone這樣的專業(yè)合作伙伴提供多種算法支持。

圖1 基于i.MX 6系列處理器的多攝像頭環(huán)視泊車輔助系統(tǒng)

機(jī)器視覺正迎來全新的發(fā)展機(jī)會

工業(yè)自動化正在邁向工業(yè)智能化。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，人口紅利的劉易斯拐點(diǎn)將會在2015年出現(xiàn)。隨著勞動人口的下降和老齡人口的上升，許多企業(yè)將面臨勞動力成本上升的問題，因此對于工業(yè)智能化有強(qiáng)烈的需求。這為機(jī)器視覺帶來了全新的應(yīng)用。

目前簡單勞動的機(jī)器替代趨勢已經(jīng)形成，而具有機(jī)器視覺的智能設(shè)備可以幫助自動化設(shè)備實(shí)現(xiàn)高度靈活的配置，以及適應(yīng)更加復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，例如物流分揀、產(chǎn)品品質(zhì)檢測、高精度加工、裝配工作等，而通過M2M的互聯(lián)，更有助于提高自動化系統(tǒng)內(nèi)部各個單元的協(xié)作效率，從而擴(kuò)大機(jī)器替代人力勞動的范圍。據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會此前預(yù)測，到2014年，中國將成為全球工業(yè)機(jī)器人的最大市場，年均銷售增長率達(dá)到25%。我們注意到，汽車制造、電子裝配、倉儲物流以及建材生產(chǎn)等行業(yè)對于工業(yè)機(jī)器人的需求非常旺盛。

在人工成本急劇上升、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的宏大背景下，中國不斷出臺新的政策支持工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。2015年伊始，中國工業(yè)機(jī)器人即迎來重大利好。工信部發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，針對中國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，《意見》提出了具體目標(biāo)，包括到2020年，高端產(chǎn)品市場占有率提高到45%以上，機(jī)器人密度（每萬名員工使用機(jī)器人臺數(shù)）達(dá)到100以上，等等。這意味著政府認(rèn)為在未來6年內(nèi)中國工業(yè)機(jī)器人的保有量將增長4倍。

機(jī)器視覺的另一個應(yīng)用是鋼鐵工業(yè)，包括焊縫的自動跟蹤，帶鋼表面缺陷的自動檢測、連鑄、軋鋼等工序中的品質(zhì)控制等等?？紤]到中國龐大的鋼鐵工業(yè)規(guī)模，機(jī)器視覺技術(shù)帶來的經(jīng)濟(jì)回報(bào)可達(dá)千億元的量級。這些技術(shù)同樣可以使玻璃、石化等傳統(tǒng)行業(yè)受益。

從更長遠(yuǎn)的視角來看，機(jī)器視覺是繼語音之后，人工智能發(fā)展的下一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前人工智能在語音方面已經(jīng)步入了實(shí)用化，蘋果的Siri和三星的S-Voice等應(yīng)用已經(jīng)為智能手機(jī)帶來了體驗(yàn)上的巨大提升，但在視覺領(lǐng)域，這樣的創(chuàng)新應(yīng)用才剛剛開始，一個關(guān)鍵因素在于視覺人工智能在技術(shù)上的要求較語音技術(shù)高得多，在實(shí)時狀態(tài)下，視頻數(shù)據(jù)的生成量要超過音頻數(shù)據(jù)兩到三個數(shù)量級，由此導(dǎo)致的計(jì)算量也同步增加。微軟的Kinect在這方面邁出了重要的一步，僅僅為了識別人體部位，就需要數(shù)以TB計(jì)的數(shù)據(jù)被輸入到集群系統(tǒng)中來教會Kinect以像素級技術(shù)來辨認(rèn)手、腳以及它看到的其他身體部位。

在未來，我們會看到更多之前難以想象的機(jī)器視覺應(yīng)用投入實(shí)用，例如用于反恐的人流實(shí)時識別分析技術(shù)、通過分析瞳孔變化來監(jiān)測生理/心理變化的技術(shù)（可用于非干擾的酒駕檢查、疲勞駕駛監(jiān)測、醫(yī)院看護(hù)）、無人駕駛汽車等。這些技術(shù)有機(jī)會帶來超過萬億美元的商機(jī)。

為什么i.MX6適合機(jī)器視覺應(yīng)用？

i.MX6非常突出的一個優(yōu)勢是它提供了OpenCL支持，為什么OpenCL對于機(jī)器視覺如此關(guān)鍵呢？

正如上文提到的，機(jī)器視覺系統(tǒng)需要進(jìn)行大量并行的數(shù)據(jù)運(yùn)算，包括圖像校正、圖像灰度化及二值化、圖像分割與裁剪、邊緣檢測等等。目前，許多機(jī)器視覺算法基于開源的OpenCV來實(shí)現(xiàn)。OpenCV（Open Source Computer Vision Library）是一個致力于實(shí)時處理計(jì)算機(jī)視覺運(yùn)算的開源庫，至今已有超過250萬的用戶。雖然OpenCV的目標(biāo)是能夠?qū)崟r地處理計(jì)算機(jī)視覺問題，但是大多數(shù)計(jì)算機(jī)視覺的算法太過復(fù)雜，無法在CPU上實(shí)時執(zhí)行。而計(jì)算機(jī)視覺的大多數(shù)算法具有天生的并行性，因此非常適合在GPU和APU上執(zhí)行并獲得極大的加速。

OpenCL正是為滿足這樣的需求而定義的。OpenCL（Open Computing Language）是一個在異構(gòu)平臺（如CPU和GPU）上高效執(zhí)行程序的開源計(jì)算框架，使得GPU可以分擔(dān)CPU的計(jì)算負(fù)荷。它使應(yīng)用程序能夠在GPU上執(zhí)行，使GPU不僅可以執(zhí)行圖形程序，而且可以執(zhí)行通用計(jì)算程序（GPGPU）。利用OpenCL加速，GPU強(qiáng)大的并行處理能力和可編程流水線處理圖形算法，在性能上大大超越了傳統(tǒng)的CPU。目前基于OpenCL的OpenCV擴(kuò)展庫已經(jīng)發(fā)布，可以在Google Code中下載。

i.MX6擁有強(qiáng)大的GPU運(yùn)算能力，其3D引擎GC2000內(nèi)部包含4個shader，可提供高達(dá)30GFLOPS的運(yùn)算能力，支持 OpenCL 1.1 EP。此外，i.MX6Q還擁有一個專用的2D引擎（1Gpixel/s）和一個矢量圖形處理引擎。飛思卡爾還提供完整的OpenCL SDK開發(fā)包。

此外，i.MX6的每一個Cortex-A9內(nèi)核都配備了一個NEON加速單元，可以為SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）處理提供額外的運(yùn)算支持，用戶可以非常輕松地在NEON上利用Ne10算法庫進(jìn)行算法加速，由于NEON的時鐘和CPU同頻，并且可以直接訪問L1/L2緩存，因此其可以高效處理DSP運(yùn)算任務(wù)。

i.MX6內(nèi)部還集成了IPU（圖像處理單元），可以提供豐富的顯示輸入/輸出接口以及圖像處理能力。其中攝像頭輸入接口包括20位的并口以及MIPI CSI-2串行接口，每個MIPI CSI-2都包含4個lane，接口速度達(dá)800 Mbps/lane。圖像處理功能包括圖像質(zhì)量增強(qiáng)、色彩空間轉(zhuǎn)換、分辨率轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)等。

完善的安全性保護(hù)IP和運(yùn)行安全

在機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域，客戶最具價值的資產(chǎn)就是其軟件算法，如何防止算法被竊取顯得至關(guān)重要。在物聯(lián)網(wǎng)時代，當(dāng)機(jī)器視覺被應(yīng)用在工廠生產(chǎn)線、安保領(lǐng)域或者是各類機(jī)器人上時，一旦其受到網(wǎng)絡(luò)攻擊、控制權(quán)被奪取，產(chǎn)生的后果將是災(zāi)難性的。這就要求機(jī)器視覺必須是部署在可靠的硬件執(zhí)行環(huán)境中。

i.MX6提供非常完善的安全特性來保證用戶的知識產(chǎn)權(quán)和設(shè)備運(yùn)行可靠性。其中包括：

①可信執(zhí)行環(huán)境：i.MX6內(nèi)建TrustZone安全運(yùn)行環(huán)境，可以將代碼執(zhí)行環(huán)境分割為一般執(zhí)行和安全執(zhí)行兩個空間，其內(nèi)部的硬件防火墻可以將CPU與外部總線訪問、DMA以及外設(shè)訪問隔絕。

②高可靠性啟動（HAB）：客戶可以對其軟件進(jìn)行加密保護(hù)，每次處理器啟動的時候，HAB都會通過RSA公鑰算法檢查數(shù)字簽名，防止未授權(quán)的軟件執(zhí)行。

③硬件加密引擎（CAAM）以及隨機(jī)數(shù)生成器（RNG）：支持對稱加密算法 AES-128，AES-256，3DES，ARC4，以及消息摘要算法（如 SHA-1、SHA-256、MD-5等）。

④安全存儲區(qū)（Secure RAM）：i.MX6內(nèi)部有16 KB安全RAM，可以存儲敏感的代碼以及數(shù)據(jù)，該RAM區(qū)帶有自清除功能，在受到攻擊時將自動清零。