簡介

一般來說，在諸如機器視覺、目標自動識別等要求嚴格的工業(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)計將很快使總線達到飽和——也就是說增加額外的處理器并不能達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行比較。

上表的性能參數(shù)在它們各自公司的文獻中可以找到，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)標準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。

在對圖像進行去斑降噪之后，開始對圖像進行連接性的分析。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)域相當復(fù)雜。統(tǒng)計型的識別器難以進行計算，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好的總體性能，盡管在時鐘速度上它們遠慢于Intel PⅢ-450。Philips的TM1300使用一個視覺端口對處理器進行直接的讀取和顯示。Intel PⅢ-450、Analog Devices 21160和TI C6701則使用DMA控制器進行讀取和顯示。

上圖給出了隨著處理器的增加可達到的幀速率。從圖中可以看出，TM1300和PⅢ-450在此應(yīng)用中性能相當，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。