視覺處理平臺(tái)VPU發(fā)展趨勢(shì)

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)智能化需求的出現(xiàn)，視覺感知成為一種至關(guān)重要的融合技術(shù)，其核心處理平臺(tái)也在發(fā)生著深刻的變革。視覺處理平臺(tái)(VPU)的推出促進(jìn)視覺處理技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，Movidius公司以獨(dú)特的專用視覺處理VPU芯片，致力于拓展面向廣闊視覺感知領(lǐng)域的應(yīng)用市場，展現(xiàn)出的高集成、高性能以及小型化的特色，代表著VPU未來的發(fā)展方向。

視覺處理推進(jìn)處理器平臺(tái)發(fā)展

　　視覺處理(Vision Processing)技術(shù)是一個(gè)既傳統(tǒng)而又新鮮，需要融入各種創(chuàng)新因素的綜合影像處理技術(shù)。視覺處理依賴于通用處理器平臺(tái)的性能，最初基于計(jì)算機(jī)軟件算法實(shí)施處理，之后借助高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)完成嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用。隨著DSP性能大幅提高和浮點(diǎn)運(yùn)算的出現(xiàn)，視覺實(shí)時(shí)處理技術(shù)和應(yīng)用有了長足的進(jìn)步。但是，視覺處理需要很多特別處理，若純粹采用通用高速處理芯片和算法軟件還是難以適應(yīng)不斷提高的要求，因此需要采取更多更新且有針對(duì)性的處理手段。

　　隨著多種高速高性能處理器技術(shù)的發(fā)展，視覺處理有了更多的可選平臺(tái)?？删幊踢壿嬯嚵?FPGA)基于硬件可編程方式進(jìn)行處理;嵌入式應(yīng)用處理器(AP)可集成多種專用協(xié)處理器輔助處理;具有專用IP的單片系統(tǒng)(SoC)則可以直接將硬件處理單元植入系統(tǒng)平臺(tái)。相比之下，通用DSP平臺(tái)的針對(duì)性有所局限，需要通過多核集成，或多片陣列來提高性能。然而，在視覺處理新的市場環(huán)境下，對(duì)性能、功耗、價(jià)格和尺寸的更高需求對(duì)處理器提出了更加嚴(yán)格的要求，因此，視覺處理平臺(tái)VPU(Vision Processing Unit，簡稱VPU)成為一種全新的核心引擎。由于VPU中集成了多種專門進(jìn)行視覺處理的硬件結(jié)構(gòu)，因此在處理上可以有很大的超越，其綜合性能可大幅度提升到每瓦性能超過600GFLOPS(浮點(diǎn)運(yùn)算單位)，是其它處理器的二至三倍，而價(jià)格僅為幾分之一。

視覺處理器平臺(tái)的特色及應(yīng)用

　　VPU針對(duì)視覺處理應(yīng)用而設(shè)計(jì)，在性能、功耗和功能性方面都有特別的強(qiáng)化，使之更貼近于實(shí)際的應(yīng)用需求，其設(shè)計(jì)兼顧到多種用途，專門為視覺處理進(jìn)行硬件系統(tǒng)的優(yōu)化。其實(shí)VPU也是一個(gè)SoC，內(nèi)部集成有多個(gè)主控RISC的CPU、許多硬件加速器單元和矢量處理器陣列，專門為視覺海量像素設(shè)計(jì)的高性能影像信號(hào)處理器(ISP)，以及豐富的高速外圍接口。在保證強(qiáng)大性能和功能的前提下，VPU采用更先進(jìn)的集成電路工藝，大大縮小了芯片的尺寸，并結(jié)合有效的技術(shù)手段，降低各個(gè)運(yùn)算單元的功耗。

　　當(dāng)前行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位的VPU平臺(tái)是Movidius公司推出的小型化、低功耗架構(gòu)，本人近期在北京與該公司高級(jí)副總裁Farshid Sabet先生有過交流，通過正在進(jìn)行的產(chǎn)品路演(Roadshow)，對(duì)于 Myriad 系列VPU平臺(tái)有了直觀的感受。這是一款可以用于3D感知及掃描建模的芯片，可以支持室內(nèi)導(dǎo)航、360度全景視頻處理等機(jī)器視覺應(yīng)用，其視覺處理性能超出其它處理器平臺(tái)十倍，功耗則低一個(gè)數(shù)量級(jí)，而尺寸和價(jià)格都僅為五分之一，如圖1所示為Myriad芯片和硬件參考設(shè)計(jì)。這款VPU的出現(xiàn)，無疑向新興的智能相機(jī)市場注入了活力。

　　Myriad 的第二代VPU采用全新的體系架構(gòu)，提升性能達(dá)到二十倍，增強(qiáng)視覺處理能力使之成為新的VPU標(biāo)桿，同時(shí)支持六個(gè)60幀全高清視頻信號(hào)輸入，而功耗在1.2瓦以內(nèi)，芯片采用28納米工藝制造。新平臺(tái)的突出表現(xiàn)在于實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)、室內(nèi)定位和物體識(shí)別的應(yīng)用，是機(jī)器人視覺應(yīng)用的理想選擇。通過該芯片超小型的尺寸，可以應(yīng)用到智能工業(yè)相機(jī)中和各種智能終端，也可用在紐扣式智能相機(jī)上，或在可穿戴智能相機(jī)上擴(kuò)展使用。

　　VPU為視覺應(yīng)用提供了一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)，但更多的開發(fā)工作是在軟件上，基于VPU的視覺應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)可以充分利用片上的硬件單元及相關(guān)的軟件資源。如圖2所示為包含工具、支持庫及框架的完整VPU軟件開發(fā)套件(SDK)，以往視頻處理器中涉及視覺處理的單元得到了增強(qiáng)，如核心視覺處理單元、線性代數(shù)運(yùn)算矩陣，還有前端影像處理單元，不僅包含ISP處理，還有ISP仿真，并支持相機(jī)調(diào)試工具。圖形處理能力的提升表現(xiàn)在支持圖形檢測API，為便于多核異構(gòu)芯片開發(fā)而支持OpenCL。由于在視覺應(yīng)用中，與高敏感度和超高像素的傳感器的接駁尤為重要，因此專門有傳感器支持接口單元。另外VPU所特有的工具單元也提供視覺調(diào)試的全面支持。VPU中的主控制器、BSP、HDK等通用單元以開放為主，便于客戶進(jìn)行更多應(yīng)用開發(fā)。

視覺處理器的市場前景展望

　　作為一個(gè)行業(yè)的平臺(tái)領(lǐng)先者需要有足夠的積累和不懈的進(jìn)取，當(dāng)然還要有強(qiáng)大的財(cái)力和物力的支持，VPU平臺(tái)的創(chuàng)建和發(fā)展也絕不輕松，對(duì)此Sabet先生暢談了Movidius的發(fā)展歷程。這確實(shí)是一家頗具傳奇色彩的創(chuàng)新型公司，十年來只專注做一件事，就是創(chuàng)建和完善VPU平臺(tái)。我驚奇地得知Movidius最早的成立地竟然是愛爾蘭的都柏林，而后又在羅馬尼亞，再到美國的硅谷建立研發(fā)團(tuán)隊(duì)。公司創(chuàng)始人都堪稱半導(dǎo)體和處理器行業(yè)的元老，公司并設(shè)立技術(shù)指導(dǎo)委員會(huì)，確立公司的技術(shù)路線和VPU平臺(tái)發(fā)展總體規(guī)劃。在Movidius核心管理層中，我聽到了不少熟悉的名字，其中就有TI及其他知名公司資深的高管和專家。公司員工目前雖未過百人，但研發(fā)人員就占了九成，其中五分之一負(fù)責(zé)VPU芯片硬件設(shè)計(jì)，而其余從事VPU上軟件構(gòu)建，由此可見VPU應(yīng)用在很大程度上依賴于軟件。

　　Movidius選擇VPU作為公司的立基之時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)尚在起步，其智能化必將帶來視覺處理的蓬勃發(fā)展。盡管研發(fā)處理器平臺(tái)必然投入巨大、周期漫長，投資產(chǎn)生回報(bào)更要有耐性，但創(chuàng)新才是硬道理，在VPU未為大牌公司所關(guān)注，也就沒有被壟斷的風(fēng)險(xiǎn)，Movidius抓住了這個(gè)機(jī)遇，潛心數(shù)年打造出名為Myriad的系列VPU平臺(tái)。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將達(dá)到500億之多， 若十分之一有視覺需求已極為可觀，屆時(shí)新的視覺處理器之爭將展開。Movidius未雨綢繆，已經(jīng)開始了新興市場的布局。如圖3所示為VPU面向物聯(lián)網(wǎng)的視覺感知應(yīng)用方向，其中無人機(jī)的應(yīng)用將包含傳感和防撞，以及盤旋定位和像素映射;VR和VA相關(guān)的手勢(shì)和姿態(tài)、人眼跟蹤、3D觸控;服務(wù)機(jī)器人的3D映像及自動(dòng)導(dǎo)向;安防監(jiān)控的前端實(shí)時(shí)視頻智能分析和自動(dòng)識(shí)別。在此基礎(chǔ)上可不斷擴(kuò)展視覺相關(guān)的應(yīng)用。

　　Movidius在視覺處理平臺(tái)發(fā)展中的優(yōu)勢(shì)在業(yè)界引人矚目，使得Google Project Tango選擇后作為合作伙伴，并將第一代Myriad VPU引入其3D視覺手機(jī)和平板電腦產(chǎn)品，而Myriad二代未來將為智能機(jī)器人、可穿戴設(shè)備等嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供視覺感知支持。Movidius慎重選擇具有發(fā)展?jié)摿Φ暮献骰锇椋⑷χС炙麄兪褂闷湫酒垣@得市場成功。中國是Movidius極為看重的市場，業(yè)已投入資源，以VPU支持中國企業(yè)在視覺感知領(lǐng)域的創(chuàng)新和拓展。期待VPU能在中國新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中獲得更加廣闊的市場空間，更好地服務(wù)于中國制造2025的宏偉戰(zhàn)略規(guī)劃。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第25頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。