將eFPGA應(yīng)用于嵌入式360度視域視覺系統(tǒng)中

作者：Alok Sanghavi，Achronix Semiconductor資深產(chǎn)品營銷經(jīng)理

引言：2018年4月11日，工業(yè)和信息化部、公安部和交通運(yùn)輸部聯(lián)合發(fā)布“關(guān)于印發(fā)《智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試管理規(guī)范（試行）》的通知”，為我國智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試提供了相關(guān)法律依據(jù)。三部委在賦予智能網(wǎng)聯(lián)汽車上路資格的同時，也提出了若干嚴(yán)格的條件。

其中，在第二章“測試主體、測試駕駛?cè)思皽y試車輛”的第七條第（四）點(diǎn)中，三部委要求：具備車輛狀態(tài)記錄、存儲及在線監(jiān)控功能，能實(shí)時回傳下列第1、2、3項(xiàng)信息，并自動記錄和存儲下列各項(xiàng)信息在車輛事故或失效狀況發(fā)生前至少90秒的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲時間不少于3年：

1. 車輛控制模式；

2. 車輛位置；

3. 車輛速度、加速度等運(yùn)動狀態(tài)；

4. 環(huán)境感知與響應(yīng)狀態(tài)；

5. 車輛燈光、信號實(shí)時狀態(tài)；

6. 車輛外部360度視頻監(jiān)控情況；

7. 反映測試駕駛?cè)撕腿藱C(jī)交互狀態(tài)的車內(nèi)視頻及語音監(jiān)控情況；

8. 車輛接收的遠(yuǎn)程控制指令（如有）；

9. 車輛故障情況（如有）。

由此可以看出，上述條件除了對進(jìn)行道路測試的智能網(wǎng)聯(lián)汽車有若干功能性要求外，還在相關(guān)領(lǐng)域?qū)⑼苿尤舾尚乱淮?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信、監(jiān)控、控制和存儲等技術(shù)的發(fā)展，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車專用SoC的開發(fā)提供新的市場機(jī)會。

嵌入式FPGA（eFPGA）將在這類芯片中扮演重要角色。如為了滿足第六條中提到的車輛外部360度視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的獲取和處理，采用eFPGA來設(shè)計相關(guān)功能芯片具有很明顯的優(yōu)勢。作為同時提供獨(dú)立FPGA芯片和eFPGA IP產(chǎn)品的公司，Achronix可以幫助智能汽車SoC設(shè)計人員先在FPGA芯片上開發(fā)和調(diào)試相關(guān)功能，而在市場進(jìn)入批量化應(yīng)用后無需顯著修改設(shè)計，立即將設(shè)計移植到搭載了eFPGA的SoC之上。

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(yùn)動分析等。在此類系統(tǒng)中，多個實(shí)時攝像機(jī)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(jī)鏡頭通常具有一個廣角視域（FOV）。環(huán)視相機(jī)系統(tǒng)最大的瓶頸之一是： 實(shí)時到或從外部存儲器存儲/讀取和訪問多路攝像機(jī)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(jī)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(yùn)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(shí)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?yàn)檫@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(jī)視頻生成的拼接操作是高度計算密集型的任務(wù)，其原因?yàn)樗屈c(diǎn)像素操作。這種拼接需要大量的實(shí)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(shí)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(dú)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(dú)特的優(yōu)勢，主要優(yōu)勢在于性能更強(qiáng)。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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(dú)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(shí)現(xiàn)特定功能，eFPGA的裸片尺寸遠(yuǎn)小于等效的獨(dú)立FPGA芯片，這是因?yàn)閑FPGA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(shí)時處理功能，可以有效實(shí)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(shí)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。