利用OpenCV加速嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

嵌入式處理器的性能日益提升、價(jià)格不斷下降，帶來日益廣泛的嵌入式計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用，包括從安全及工業(yè)監(jiān)控到自動(dòng)化車輛與汽車安全等領(lǐng)域。開發(fā)人員可充分利用越來越高級(jí)的硬件，在不影響基本質(zhì)量的同時(shí)，更快速、更低成本地開發(fā)具有突破性性能的產(chǎn)品。

開發(fā)周期縮短而帶來的巨大壓力，迫使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員必須高效利用嵌入式領(lǐng)域與傳統(tǒng)PC工作站領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)；適應(yīng)并復(fù)用現(xiàn)有穩(wěn)定軟件可為嵌入式開發(fā)人員提供不斷開發(fā)重大新項(xiàng)目的必備基礎(chǔ)。

OpenCV就是PC軟件進(jìn)入嵌入式開發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)實(shí)例。OpenCV是一款免費(fèi)的開源計(jì)算機(jī)視覺庫，可提供從影像過濾及轉(zhuǎn)換，到特性抽象與機(jī)器學(xué)習(xí)等幾十個(gè)不同類別的數(shù)百種算法。它已被成千上萬的開發(fā)人員所使用，而且還在不斷發(fā)展之中。目前有很多庫是針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的，但很少有像OpenCV這樣能夠在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域得到普遍推廣，而且涵蓋如此豐富的算法。

圖1：OpenCV庫縮略圖。

盡管OpenCV最初來源于Intel的x86架構(gòu)，但它也不失為目前功能日益強(qiáng)大的嵌入式器件的自然選擇。OpenCV現(xiàn)已移植到嵌入式處理器常用CPU選擇ARM架構(gòu)上，這點(diǎn)也并不奇怪。我們完全能夠在嵌入式器件上原封不動(dòng)地采用OpenCV的交叉編譯版，不過，存儲(chǔ)器限制與其它架構(gòu)注意事項(xiàng)可能會(huì)帶來一個(gè)技術(shù)難題。因此我們需要對(duì)OpenCV進(jìn)行優(yōu)化，以使它在新的主機(jī)上實(shí)現(xiàn)更高性能與更高效率。

對(duì)嵌入式平臺(tái)而言，“優(yōu)化”這個(gè)詞以前意味著要無限制地研究低級(jí)架構(gòu)中不重要的細(xì)節(jié)，反復(fù)編寫匯編語言代碼。然而幸運(yùn)的是，隨著嵌入式處理器復(fù)雜性的提升，嵌入式開發(fā)工具已變得日益強(qiáng)大，用戶友好性也得以大幅提高。

典型的嵌入式器件可描述為系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)，其中不僅包含ARM處理器，而且還含有多種外設(shè)與加速器，可將CPU從相關(guān)支持任務(wù)中解放出來。SoC甚至可能具有多個(gè)ARM內(nèi)核，或其它功能齊全的協(xié)處理器。

圖2：SoC基本內(nèi)部架構(gòu)。

現(xiàn)在，SoC最重要的部分不是硬件本身，而是可幫助開發(fā)人員通過ARM應(yīng)用程序高效利用SoC全部性能的支持性軟件，這不僅包括優(yōu)化C語言編譯器的熟悉工具，還包括加速常見信號(hào)處理任務(wù)的優(yōu)化軟件庫，以及處理SoC中不同模塊之間低級(jí)互動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器。此外，它可能還包括支持特定廠商協(xié)處理器與加速器的特殊工具。這些工具相結(jié)合，可使嵌入式優(yōu)化成為高級(jí)應(yīng)用開發(fā)中一個(gè)簡單透明的組成部分。

通過高效集成OpenCV等高級(jí)軟件與器件廠商提供的低端軟件，進(jìn)而創(chuàng)建高效可行的系統(tǒng)，是嵌入式開發(fā)的重要挑戰(zhàn)之一。例如，我們不妨考慮這樣一種情況，SoC中包括了針對(duì)高強(qiáng)度計(jì)算的全功能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。該DSP可能非常適合OpenCV的影像分析算法，尤其是在CPU缺乏原生浮點(diǎn)指令情況下更是如此，不過，要讓OpenCV在DSP架構(gòu)上運(yùn)行，可能還有大量工作要做。讓OpenCV等高級(jí)軟件實(shí)現(xiàn)分區(qū)，并在整個(gè)SoC上無縫運(yùn)行是軟件開發(fā)工具的重要使命。

從嵌入式開發(fā)人員的角度來說，將應(yīng)用的不同部分透明地交給SoC上最合適的模塊來處理是再好不過的了。這樣做能夠幫助開發(fā)人員將更多資源集中到終端產(chǎn)品開發(fā)方面，從而花費(fèi)更少的時(shí)間處理特定平臺(tái)問題，這是嵌入式器件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。支持上述要求的軟件工具則可在基本的處理功能與硬件功能基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，這對(duì)開發(fā)人員而言具有更重要的意義，器件廠商必須滿足這一要求，才能保持自身的競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)。

圖3：嵌入式應(yīng)用分區(qū)后，在異構(gòu)多內(nèi)核SoC上運(yùn)行更高效。