視覺處理平臺VPU發展趨勢

摘要：隨著物聯網智能化需求的出現，視覺感知成為一種至關重要的融合技術，其核心處理平臺也在發生著深刻的變革。視覺處理平臺(VPU)的推出促進視覺處理技術的創新發展，Movidius公司以獨特的專用視覺處理VPU芯片，致力于拓展面向廣闊視覺感知領域的應用市場，展現出的高集成、高性能以及小型化的特色，代表著VPU未來的發展方向。

視覺處理推進處理器平臺發展

　　視覺處理(Vision Processing)技術是一個既傳統而又新鮮，需要融入各種創新因素的綜合影像處理技術。視覺處理依賴于通用處理器平臺的性能，最初基于計算機軟件算法實施處理，之后借助高速數字信號處理器(DSP)完成嵌入式實時應用。隨著DSP性能大幅提高和浮點運算的出現，視覺實時處理技術和應用有了長足的進步。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不斷提高的要求，因此需要采取更多更新且有針對性的處理手段。

　　隨著多種高速高性能處理器技術的發展，視覺處理有了更多的可選平臺。可編程邏輯陣列(FPGA)基于硬件可編程方式進行處理;嵌入式應用處理器(AP)可集成多種專用協處理器輔助處理;具有專用IP的單片系統(SoC)則可以直接將硬件處理單元植入系統平臺。相比之下，通用DSP平臺的針對性有所局限，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境下，對性能、功耗、價格和尺寸的更高需求對處理器提出了更加嚴格的要求，因此，視覺處理平臺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行視覺處理的硬件結構，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(浮點運算單位)，是其它處理器的二至三倍，而價格僅為幾分之一。

視覺處理器平臺的特色及應用

　　VPU針對視覺處理應用而設計，在性能、功耗和功能性方面都有特別的強化，使之更貼近于實際的應用需求，其設計兼顧到多種用途，專門為視覺處理進行硬件系統的優化。其實VPU也是一個SoC，內部集成有多個主控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計的高性能影像信號處理器(ISP)，以及豐富的高速外圍接口。在保證強大性能和功能的前提下，VPU采用更先進的集成電路工藝，大大縮小了芯片的尺寸，并結合有效的技術手段，降低各個運算單元的功耗。

　　當前行業內處于領先地位的VPU平臺是Movidius公司推出的小型化、低功耗架構，本人近期在北京與該公司高級副總裁Farshid Sabet先生有過交流，通過正在進行的產品路演(Roadshow)，對于 Myriad 系列VPU平臺有了直觀的感受。這是一款可以用于3D感知及掃描建模的芯片，可以支持室內導航、360度全景視頻處理等機器視覺應用，其視覺處理性能超出其它處理器平臺十倍，功耗則低一個數量級，而尺寸和價格都僅為五分之一，如圖1所示為Myriad芯片和硬件參考設計。這款VPU的出現，無疑向新興的智能相機市場注入了活力。

　　Myriad 的第二代VPU采用全新的體系架構，提升性能達到二十倍，增強視覺處理能力使之成為新的VPU標桿，同時支持六個60幀全高清視頻信號輸入，而功耗在1.2瓦以內，芯片采用28納米工藝制造。新平臺的突出表現在于實現虛擬現實、室內定位和物體識別的應用，是機器人視覺應用的理想選擇。通過該芯片超小型的尺寸，可以應用到智能工業相機中和各種智能終端，也可用在紐扣式智能相機上，或在可穿戴智能相機上擴展使用。

　　VPU為視覺應用提供了一個強大的平臺，但更多的開發工作是在軟件上，基于VPU的視覺應用系統開發可以充分利用片上的硬件單元及相關的軟件資源。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，如核心視覺處理單元、線性代數運算矩陣，還有前端影像處理單元，不僅包含ISP處理，還有ISP仿真，并支持相機調試工具。圖形處理能力的提升表現在支持圖形檢測API，為便于多核異構芯片開發而支持OpenCL。由于在視覺應用中，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，便于客戶進行更多應用開發。

視覺處理器的市場前景展望

　　作為一個行業的平臺領先者需要有足夠的積累和不懈的進取，當然還要有強大的財力和物力的支持，VPU平臺的創建和發展也絕不輕松，對此Sabet先生暢談了Movidius的發展歷程。這確實是一家頗具傳奇色彩的創新型公司，十年來只專注做一件事，就是創建和完善VPU平臺。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團隊。公司創始人都堪稱半導體和處理器行業的元老，公司并設立技術指導委員會，確立公司的技術路線和VPU平臺發展總體規劃。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，但研發人員就占了九成，其中五分之一負責VPU芯片硬件設計，而其余從事VPU上軟件構建，由此可見VPU應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，物聯網尚在起步，其智能化必將帶來視覺處理的蓬勃發展。盡管研發處理器平臺必然投入巨大、周期漫長，投資產生回報更要有耐性，但創新才是硬道理，在VPU未為大牌公司所關注，也就沒有被壟斷的風險，Movidius抓住了這個機遇，潛心數年打造出名為Myriad的系列VPU平臺。據權威機構預測，全球物聯網設備數量將達到500億之多， 若十分之一有視覺需求已極為可觀，屆時新的視覺處理器之爭將展開。Movidius未雨綢繆，已經開始了新興市場的布局。如圖3所示為VPU面向物聯網的視覺感知應用方向，其中無人機的應用將包含傳感和防撞，以及盤旋定位和像素映射;VR和VA相關的手勢和姿態、人眼跟蹤、3D觸控;服務機器人的3D映像及自動導向;安防監控的前端實時視頻智能分析和自動識別。在此基礎上可不斷擴展視覺相關的應用。

　　Movidius在視覺處理平臺發展中的優勢在業界引人矚目，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視覺手機和平板電腦產品，而Myriad二代未來將為智能機器人、可穿戴設備等嵌入式物聯網設備提供視覺感知支持。Movidius慎重選擇具有發展潛力的合作伙伴，并全力支持他們使用其芯片以獲得市場成功。中國是Movidius極為看重的市場，業已投入資源，以VPU支持中國企業在視覺感知領域的創新和拓展。期待VPU能在中國新興產業的發展中獲得更加廣闊的市場空間，更好地服務于中國制造2025的宏偉戰略規劃。

參考文獻：

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　　[2]迎九.GEO向消費和工業市場推出圖像處理引擎,電子產品世界,2014(11)

　　[3]李星宇.飛思卡爾i.MX6應用處理器助力機器視覺,電子產品世界,2014(11)

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