用FPGA实现低成本实时深度感知

引言

　　对于自主机器人导航和其它机器视觉应用来说，实时深度感知是很关键的。目前通过立体图像来计算深度的算法计算量很大，例如差异测绘，要占用CPU大量的时间，或者需要用昂贵的器件进行实时操作。

　　针对立体摄像的深度感知，FPGA解决方案能使处理器的时间得到缓解，减少或除去器件的成本，例如MPU、DSP、激光器和昂贵的镜头。通过提供给机器人其环境中 的差异测绘，FPGA使机器人中的CPU专注于重要的高层任务，例如建图和定位。

差异测绘

　　加深度感知到机器人的常用技术是用两个水平放置的独立摄像机，互相之间平行分开放置。用差异测绘算法对两个摄像机进行比较，见图1。

图1 差异测绘计算

　　简单来说，差异是指右面和左面图像之间的差别。物体越接近摄像机，两个图像之间的差异越大。

　　你可以自己来做一个实验，对着你的脸水平地向上握住一支笔，不停地眨你的左眼和右眼。移动的笔越接近你的脸，你眨眼时觉得移动越多。做更多的移动时，物体越接近你的眼睛，图像中的差异越大。

　　如图1所示，从两个图像之间物体的位置算出差异：d=x1-x2。为了计算点M的实际坐标，可通过左面和右面的摄像机来进行计算：
X=Bx1/d
Y=By1/d
Z=fB/d

相关的问题

　　计算差异测绘依赖于相关的图像，以及左面图像和右面图像的匹配性质。逐点计算相关的像素的计算量是很大的，因此用其它算法来简化这个问题。有一种方法称为图像点相关，仔细检查左面图像的像素块，称为点，然后在右面图像中寻找相同的点。其它的方法包括边沿检测和匹配。一旦定位了相应的图像，就可进行差异计算。

失真与曝光问题

　　如果使用高质量的摄像机，可以忽略镜头失真。为了省钱，使用便宜的CMOS 或者CCD摄像机，或者低成本广角镜头。这些较低质量的产品会引入失真或曝光问题。

　　镜头会引起比例和定位失真，例如白点效应，靠近图像外面的物体出现弯曲状，使用众所周知的图像处理算法可以进行补偿。针对移动或者其它几何算法，纠正白点的一种方法是使用坐标的查找表重测图像中的像素。

　　在非常明亮和非常暗的环境中，其它的算法需要可靠地捕获图像中的详细特征。例如，针对不同的区域确定最佳的曝光设置，使用区域的合成图像可以补偿缺少背景亮度。

用含有嵌入式DSP的FPGA的解决方案

　　本文中阐述的深度感知算法计算复杂，以实时的视频速率来实现。系统设计者必须评估CPU/软件、ASIC, ASSP(例如DSP处理器)和FPGA解决方案，确定哪个是最佳的，以及FPGA价格。
图2展示了提出的FPGA协处理器解决方案，解决失真、曝光、通信和针对深度感知差异测绘算法。这个方法使CPU腾出时间，允许DSP处理器处理更多的串行任务。

图2 FPGA支持计算量大的差异测绘算法

通常选择FPGA时，需要评估三个电路方面的需求：

　　●针对利用并行特性的协处理功能，DSP的功能和性能。

　　●DDR(双数据速率)和LVDS(低电压差分信号)支持接口至片外SDRAM缓冲存储器，直接连接到来自摄像机的图像数据。

　　●安全方案以保护知识产权。

　　对于图像处理算法，传统的DSP处理器的并行功能有限，每个DSP芯片只有1到4个乘法器，见图3中的左面。因此DSP用很高的时钟速率来进行补偿，时钟速率高达1GHz或更高，以达到高的吞吐量。需要很快完成的复杂串行任务的DSP算法应该用DSP处理器实现。

　　然而，许多深度感知图像处理功能需要大量的并行处理，例如线性插值技术，媒体滤波器和几何估计。与DSP芯片比较，FPGA可以用并行来执行串行功能，以加速系统性能，见图3的右面所示。例如图像对应是很简单的算法，比较大量的像素值，或者两个图像之间的像素点。为了得到有效均方差的和(SSD)，图像对应算法必须对图像中的像素进行百万次计算，对串行执行功能的DSP芯片来说这是一个挑战性的任务。

　　具有DSP功能的FPGA包含几个乘法器块，但是一些FPGA还有嵌入式加法器、减法器和大大增加处理性能的累加器。尽管低成本FPGA以低于300MHz系统时钟频率工作，但用片内多个DSP块以并行方式实现多个DSP功能可以达到高的DSP吞吐量(3,000 MMAC)。

存储器和DDR

　　由于有多个乘法器，利用FPGA并行的灵活性有益于存储器的访问。能够容易地并行访问各种存储器。片内分布式存储器可以用来建立小的高性能便笺，针对去除白点使用坐标的查找表，对于在图像中再测绘像素是很有用的。片内较大的嵌入式存储器块能构建较大的高性能存储器，用于FIFO和线缓冲器。

　　片外存储器DDR II SDRAM可以提供大的高性能存储器。针对常用于图像处理，存储整个帧的DDR SDRAM，FPGA可以为DDR SDRAM提供存储器控制和接口。

　　较低的时钟速度(100MHz以下)，DDR存储器控制器接口是容易做的，可用FPGA中的通用I/O和逻辑实现。然而在较高的频率，拥有专门电路的FPGA要求稳健的DDR存储器接口。不是所有FPGA器件都有这些专门电路的，实现高速DDR存储器接口的成本和复杂性差别很大，取决于特殊的FPGA。

LVDS

　　针对摄像机和通过LVDS接口的视频芯片集的深度感知，例如摄像机链接， FPGA接口图像处理引擎。LVDS是低噪声、低功耗，小摆幅差分信号用于通过铜线传送高速(每秒吉比特)数据。

　　作为一个用于视频接口的例子是7:1 LVDS接口，有多个LVDS信号对用于数据传送，一个信号对用于时钟。对一些FPGA来说，这是本身的I/O接口。视频数据通过3个LVDS对进入FPGA，I/O结构对这个包进行解串，然后把FPGA中并行的数据送到逻辑阵列。

安全性

　　因为自主的机器人有时用于军事应用，在配置期间FPGA不应对系统引入额外的脆弱性。对于基于SRAM的FPGA，配置数据来自外部的非易失存储器。有些FPGA拥有内置的128位AES解密引擎，防止黑客通过逆向工程来获取FPGA中的功能。

　　只要密钥是未知的，AES配置位流加密提供了保护措施。然而，非易失FPGA完全去除了这种安全性的风险。一些非易失FPGA在同一芯片上组合了Flash和SRAM。上电后SRAM获得工作配置。这种技术提供了高配置安全性，同时又利用了SRAM无限次重构的优点。

结语

　　支持DSP、差分信号LVDS和DDR II存储器接口的FPGA使得机器人的实时感知成为可能。

　　对于机器人的立体视觉应用，针对实时图像处理实现，CPU、DSP处理器和FPGA协处理器的组合能够对性能和价格做出最佳的平衡。FPGA能够处理高度并行差异测绘和深度感知算法。DSP进行较少并行处理、高速和简单代码的更加复杂的功能。CPU做需要灵活性和高层软件实行的那些部分。

　　基于Flash，非易失LatticeXP2 FPGA支持许多需求，包括LVDS、内置DDRII存储器和完整特性的DSP块，以及大量的可编程逻辑和存储器块支持接口和其它的定制功能。许多DSP知识产权核和MATLAB SIMULINK使设计更加便利。Lattice还有基于7:1 LVDS视频接口的参考设计和平台。免费参考设计IP提供的一些功能是色深度转换、亮度、对比度和视频覆盖。