支持新一代工業(yè)檢查系統(tǒng)的多核DSP

傳感器/掃描與計(jì)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(jì)量、機(jī)器人視覺(jué)以及定位等。隨著新一代數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的推出，特別是多核 DSP 的推出，開(kāi)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(shí)影像處理實(shí)施。

今天，在各種因素推動(dòng)下，工業(yè)檢查系統(tǒng)需要越來(lái)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(shí)執(zhí)行更為復(fù)雜的算法。往往需要多個(gè)高分辨率(百萬(wàn)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(shuō)更高端的檢查系統(tǒng)可使用多個(gè)攝像機(jī)來(lái)采集完整的 3-D 數(shù)據(jù)，使用深度攝像機(jī)來(lái)捕獲深度外形信息，或通過(guò)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(zhuān)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(duì)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用開(kāi)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?cè)诟?jìng)爭(zhēng)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(lèi)，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(cè)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(duì)比度。邊緣通過(guò)非強(qiáng)化掩碼或 Sobel 濾波等算法加強(qiáng)，Canny 邊緣檢測(cè)器可用來(lái)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(xún)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(duì)象中的小對(duì)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(cè)程序包括邊緣檢測(cè)、線路跟蹤、對(duì)象形狀分析、分類(lèi)算法以及模板匹配等。有時(shí)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(guò)使用 DSP 獲得極大優(yōu)勢(shì)。同質(zhì)多核 DSP 提供可充分滿(mǎn)足這些計(jì)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(wàn)指令 (MIPS) 、 每秒百萬(wàn)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(dòng)態(tài)范圍的系統(tǒng)帶來(lái)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(guò)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(shí)延問(wèn)題。

多層存儲(chǔ)器高速緩存與可用片上隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(guò)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(chǔ)器接口。共享存儲(chǔ)器架構(gòu)使多核 DSP 中的多個(gè)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(chǔ)器存取控制器，可在外部存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器映射外設(shè)以及片上存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)雙緩沖進(jìn)行計(jì)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(gè)或多個(gè) 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(jì)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(gè)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(zhuān)利接口等。有時(shí)影像通過(guò)背板通信結(jié)構(gòu)發(fā)送，這時(shí)會(huì)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(jí)，才能幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)這類(lèi)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(lái)，多核 DSP 在各行業(yè)眾多不同應(yīng)用中充分展示了其價(jià)值。多核同質(zhì) DSP 一直都是要求計(jì)算密集型信號(hào)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(jì)算性能、更高的 I/O、更大的存儲(chǔ)器容量以及主要硬件集成，可充分滿(mǎn)足高性能工業(yè)檢查領(lǐng)域的需求。在 DSP 上使用 C 語(yǔ)言等高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)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(shí)間。