支持新一代工業(yè)檢查系統(tǒng)的多核DSP

傳感器/掃描與計算技術(shù)的發(fā)展正在推進(jìn)食品加工、制藥與半導(dǎo)體制造等各種行業(yè)的新一代高性能工業(yè)檢查系統(tǒng)的發(fā)展，如后期制造質(zhì)量保證、計量、機(jī)器人視覺以及定位等。隨著新一代數(shù)字信號處理器 (DSP) 的推出，特別是多核 DSP 的推出，開發(fā)人員將擁有高性能、低成本的低功耗備選方案，實(shí)現(xiàn)檢查應(yīng)用的實(shí)時影像處理實(shí)施。

今天，在各種因素推動下，工業(yè)檢查系統(tǒng)需要越來越高的處理性能。提高處理性能的主要原因在于，現(xiàn)代檢查系統(tǒng)不但要運(yùn)行更加龐大的影像數(shù)據(jù)集，而且還要實(shí)時執(zhí)行更為復(fù)雜的算法。往往需要多個高分辨率(百萬像素)和高幀速率 (FPS) 攝像機(jī)提供大量數(shù)據(jù)流，也就是說更高端的檢查系統(tǒng)可使用多個攝像機(jī)來采集完整的 3-D 數(shù)據(jù)，使用深度攝像機(jī)來捕獲深度外形信息，或通過立體攝像機(jī)生成表面輪廓信息。

檢查系統(tǒng)供應(yīng)商通常根據(jù)軟件中，特別是專有算法中實(shí)施的特性實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化，供應(yīng)商往往不能或不希望在多家不同半導(dǎo)體制造商針對機(jī)器視覺應(yīng)用開發(fā)的片上系統(tǒng) (SoC) 中使用硬件加速器，因?yàn)檫@樣做不能幫助他們在競爭中實(shí)現(xiàn)性能或質(zhì)量的差異化。

下文將重點(diǎn)介紹用于檢查系統(tǒng)的典型影像處理算法以及提供所需處理效率的多核 DSP 的特性。

影像處理：

檢查系統(tǒng)的核心是多種不同的影像處理算法。這些算法可分為幾大類，如影像形成算法、影像增強(qiáng)算法、形態(tài)運(yùn)算、特性提取算法以及特性檢測算法等。

影像增強(qiáng)：是指采用中值濾波器、雙邊濾波器以及柱狀圖等非線性濾波器去除噪聲，增強(qiáng)邊緣與對比度。邊緣通過非強(qiáng)化掩碼或 Sobel 濾波等算法加強(qiáng)，Canny 邊緣檢測器可用來獲得影像中重要特性的邊緣。

形態(tài)運(yùn)算：是指使用“結(jié)構(gòu)元素”探詢影像并提供元素結(jié)構(gòu)在影像中實(shí)用度結(jié)果的各種非線性運(yùn)算。這種運(yùn)算可用于加厚或削薄邊緣，除去大對象中的小對象，連接斷裂的邊緣，消除小洞，并填補(bǔ)小空隙。

大多數(shù)特性提取及檢測程序包括邊緣檢測、線路跟蹤、對象形狀分析、分類算法以及模板匹配等。有時影像可在提取特性之前轉(zhuǎn)為化成不同的域，如傅立葉(Fourier)與 小波分析(Wavelet) 等。

DSP 是強(qiáng)大的處理單元：

影像處理與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)都可通過使用 DSP 獲得極大優(yōu)勢。同質(zhì)多核 DSP 提供可充分滿足這些計算密集型算法需求的處理性能。

大多數(shù)工業(yè)影像處理子系統(tǒng)都需要內(nèi)核速度 (GHz)、每秒百萬指令 (MIPS) 、 每秒百萬次乘累加 (MMAC) 以及每秒十億浮點(diǎn)運(yùn)算 (GFLOP) 的高性能。德州儀器 (TI) TMS320C6678 等多核處理器支持 360GMAC 與 160GFLOPS，可為要求高動態(tài)范圍的系統(tǒng)帶來使用定浮點(diǎn)指令的高靈活性。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，多核處理器的架構(gòu)還可通過基于硬件的處理器間通信消除片上數(shù)據(jù)傳輸瓶頸與時延問題。

多層存儲器高速緩存與可用片上隨機(jī)存取存儲器 (RAM) 容量可大幅提高系統(tǒng)性能。影像尺寸通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過可用的片上 RAM，因此這些系統(tǒng)不可避免地需要大型外部 RAM，這就意味著 DSP 需要提供 DDR3 等高帶寬外部存儲器接口。共享存儲器架構(gòu)使多核 DSP 中的多個內(nèi)核既能在相同影像的不同部分并行運(yùn)行，也可在影像數(shù)據(jù)相同部分連續(xù)執(zhí)行不同的處理功能。上述功能配合在所有內(nèi)核中共享的智能直接存儲器存取控制器，可在外部存儲器、存儲器映射外設(shè)以及片上存儲器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過雙緩沖進(jìn)行計算，提高性能。

有許多選項(xiàng)可用于連接影像子系統(tǒng)與影像處理子系統(tǒng)。系統(tǒng)可能需要一個或多個 如CameraLink 等模擬或數(shù)字接口。DSP 支持不同高速串行器/解串器接口選擇，可為硬件設(shè)計人員提供連接及 FPGA 選項(xiàng)，從而可連接影像采集子系統(tǒng)。例如，TI C6678 多核 DSP 就具有多個這樣的高速接口，如 PCIe Gen II、串行 RapidIO 2.1 (SRIO)、GigE 以及 TI 名為 Hyperlink 的 50Gbps 專利接口等。有時影像通過背板通信結(jié)構(gòu)發(fā)送，這時會使用 PCIe 和 SRIO。

由于工業(yè)檢查系統(tǒng)往往需要高度的可靠性才能在惡劣條件下以最低功耗進(jìn)行工作，因此多核 DSP 應(yīng)支持更高的工業(yè)工作溫度等級，才能幫助系統(tǒng)設(shè)計人員設(shè)計這類系統(tǒng)。

下圖 1 是多核 DSP 影像處理子系統(tǒng)的示意圖。

圖 1：工業(yè)檢查系統(tǒng)方框圖

10 多年來，多核 DSP 在各行業(yè)眾多不同應(yīng)用中充分展示了其價值。多核同質(zhì) DSP 一直都是要求計算密集型信號處理的有限功耗預(yù)算及狹小物理空間應(yīng)用中的理想選擇。最新一代多核 DSP 支持優(yōu)異的計算性能、更高的 I/O、更大的存儲器容量以及主要硬件集成，可充分滿足高性能工業(yè)檢查領(lǐng)域的需求。在 DSP 上使用 C 語言等高級語言開發(fā)軟件定義影像系統(tǒng)的便捷性可加速最新創(chuàng)新算法的實(shí)施，縮短產(chǎn)品上市時間。