簡介

一般來說，在諸如機器視覺、目標(biāo)自動識別等要求嚴(yán)格的工業(yè)和軍事應(yīng)用場合中使用的成像系統(tǒng)都需要有實時高性能的計算處理能力。一直以來，這些成像系統(tǒng)依靠著專有的體系結(jié)構(gòu)和定制的組件實現(xiàn)各自的性能，但近年來高性能通用微處理器技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使人們生產(chǎn)出了大量可應(yīng)用于高性能處理系統(tǒng)的低成本元件。

高性能成像系統(tǒng)尤其是使用了可擴展的多處理器體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的設(shè)計的一個普遍缺陷就是不能平衡好計算帶寬和帶I/O接口的存儲帶寬之間的關(guān)系。最近，帶有大容量內(nèi)部高速緩存和高性能外部存儲器接口的微處理器的引入，使得設(shè)計一個計算和存儲帶寬之間得到平衡的高性能成像系統(tǒng)成為現(xiàn)實。

微處理器利用了板級存儲器和I/O體系結(jié)構(gòu)，使用這種微處理器及存儲器的系統(tǒng)有一個重要性能。系統(tǒng)并不擴展存儲器總線帶寬，同樣的，微處理器的引入一般不是為了改善性能，在提升了一些性能后它們會達(dá)到一個極限值。另外，I/O帶寬在總體性能上發(fā)揮著重要的作用。

這篇文章的目的是為了引入一個框架，使得開發(fā)者能夠選擇一個能提供實時視覺應(yīng)用場合所需要的性能和可擴展性的微處理器系統(tǒng)。在可編程成像系統(tǒng)的選擇問題上，我們重點考慮下面三個方面：（ａ）系統(tǒng)是“本機”的還是采用協(xié)處理器模型？（ｂ）哪種處理器在平衡應(yīng)用中的處理和I/O關(guān)系上更具恰當(dāng)性？（ｃ）總成本是多少？為了更好的理解我們的假設(shè)，我們將對四種不同的處理器在元件檢測應(yīng)用中表現(xiàn)出的性能進(jìn)行分析。

微處理器評估

為了體現(xiàn)各種具有尖端技術(shù)的微處理器的優(yōu)點，我們選擇了四種新型微處理器進(jìn)行評估：Analog Devices公司的21160Hammerhead，Intel?（P3-450）,Philips公司的半導(dǎo)體TM1300 TriMedia和德州儀器（TI）的C6701．你也可以使用這種框架評估其他的處理器。

下表給出了所選處理器的重要特性。假定各種處理器在測試計算性能時是相互獨立的。集群模式設(shè)計將很快使總線達(dá)到飽和——也就是說增加額外的處理器并不能達(dá)到提升速度以提高計算性能的目的。做出這個假定是因為大多數(shù)多處理器為了達(dá)到可擴展性，其協(xié)處理器板已經(jīng)獨立開或采用本地存儲器設(shè)計。唯一采用非本地存儲器設(shè)計的是PⅢ-450,引入它是為了與其他處理器進(jìn)行比較。

上表的性能參數(shù)在它們各自公司的文獻(xiàn)中可以找到，它們是以優(yōu)化了的匯編語言程序為基礎(chǔ)的。除了Intel使用復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機（CISC）外，所有的微處理器都使用了超長指令集架構(gòu)（VLIW）體系結(jié)構(gòu)。每個CPU的膠連邏輯成本體現(xiàn)了連接處理器與外在系統(tǒng)所需額外組件的成本。
應(yīng)用描述：產(chǎn)品線上的元件工業(yè)檢測

當(dāng)產(chǎn)品經(jīng)過檢測站時，檢測站檢測產(chǎn)品的顏色和形狀，然后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來判斷是否接受這件產(chǎn)品。元件以任意角度安置在傳送器上以供成像。檢測算法檢測連接顏色和形狀的區(qū)域，并處理在這些區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，再把結(jié)果應(yīng)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別器中。產(chǎn)品在快速駛下生產(chǎn)線的時候被檢測。照相機以每秒３０張的速度收集圖像以確保在每張圖像上有至少有５０％交疊，從而確保每一部分至少有一次被完全顯現(xiàn)。圖像規(guī)格是512×512，24位彩色（ＲＧＢ）．

算法流程圖

上圖給出了檢測圖像缺陷的算法。原始圖像通過過濾去掉噪聲，并平滑由于傳送器上的角度問題而造成的部分顏色和明亮度的變化。

圖像轉(zhuǎn)化為HLS模型，以便再通過兩個16位輸入8位輸出的查找表轉(zhuǎn)化成單色。HLS模型中，色度（H）和飽和度（S）由顏色決定，而明亮度（L）主要由能被光照到的物體表面的方位決定。這兩要素在8位單色像（圖表中為M）的結(jié)構(gòu)中被編碼。這一步驟可以用于檢測顏色錯誤和總體方向錯誤，因而顯得比較重要。

在對圖像進(jìn)行去斑降噪之后，開始對圖像進(jìn)行連接性的分析。分析結(jié)果用于從單色和彩色圖像中選擇區(qū)域，以獲得另外的特性。這一步一般會減少百分之七十的像素數(shù)量。

所選區(qū)域用單色進(jìn)行量測，彩色則用于發(fā)展每個區(qū)域的特性。獲得的特性是顏色，通過單色圖像、連接框、邊界圓、周長、凸包和面積等要素修正。
這些特性作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別器的輸入。之所以選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別器是因為要處理的圖像區(qū)域相當(dāng)復(fù)雜。統(tǒng)計型的識別器難以進(jìn)行計算，而且對噪聲敏感。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用100個輸入，在第一個隱藏層使用200個節(jié)點，第二層使用100個節(jié)點，輸出層（通過/未通過）使用一個節(jié)點。

選擇處理系統(tǒng)的下一步就是要使用下面所選的微處理器進(jìn)行評估算法：Analog Devices公司的21160Hammerhead，Intel?（P3-450）,Philips公司的半導(dǎo)體TM1300 TriMedia和德州儀器（TI）的C6701。每種處理器的編碼已經(jīng)優(yōu)化過，每種類型單個處理器的執(zhí)行時間也已測過。下表給出了每個處理器執(zhí)行每一步算法的結(jié)果。

分析與結(jié)果

所有時間單位為毫秒

從上表中，我們可以發(fā)現(xiàn)每種處理器都有各自的優(yōu)點。若以總時間來論，則ＰⅢ-450無疑是最佳的。其中兩種處理器需要保持與照相機同步的圖像速度。所有情況下，系統(tǒng)需要另外一個處理器來提供操作系統(tǒng)支持，如磁盤驅(qū)動和用戶界面。PⅢ的計算能力似乎不夠理想，但在限制于存儲器總線性能的應(yīng)用中，它仍然是個相當(dāng)出色的處理器。PⅢ的存儲器總線速度是其他處理器的兩倍，TM1300是個例外，PⅢ的存儲器總線速度只是它的1.4倍（800MB/s VS 572MB/s）。

Philips和TI的處理器擁有許多處理單元，這使得它們具有相當(dāng)好的總體性能，盡管在時鐘速度上它們遠(yuǎn)慢于Intel PⅢ-450。Philips的TM1300使用一個視覺端口對處理器進(jìn)行直接的讀取和顯示。Intel PⅢ-450、Analog Devices 21160和TI C6701則使用DMA控制器進(jìn)行讀取和顯示。

上圖給出了隨著處理器的增加可達(dá)到的幀速率。從圖中可以看出，TM1300和PⅢ-450在此應(yīng)用中性能相當(dāng)，居于最前，TMS320C6701稍慢些，ADI21160則是最慢的。Philip TM1300、Analog Devices 21160和TI C6701都需要兩個處理器以保持圖像速率。但它們（在PC上的協(xié)處理器板上）的成本卻遠(yuǎn)低于PⅢ-450。一個多處理器的PⅢ-450系統(tǒng)需要花費幾千美元（大約3000美元）——價格高于基本的單處理器PC. Philip TM1300、Analog Devices 21160和TI C6701的協(xié)處理器系統(tǒng)最低只需1500美元。