【導(dǎo)讀】傳感器在我們的世界經(jīng)歷了快速的推廣，事實上，傳感器現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍，以至于我們每個人日常所使用的手機里都有好幾種不同類型的傳感器。這些傳感器有的能檢測壓力、溫度、加速度和重力的簡單變化，同樣也有更為高級的傳感器，例如GPS、RADAR、LIDAR和圖像傳感器。
傳感器融合是指從幾種不同的傳感器中提取數(shù)據(jù)，以生成靠單個傳感器無法提供的信息。隨后，可以對該信息做進(jìn)一步處理和分析。并根據(jù)最終應(yīng)用，必要時還可用傳感器來制定決策。傳感器融合分為兩大類：
- 實時傳感器融合——提取并融合傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)得到的信息實時制定決策。
- 離線傳感器融合——這種方案是提取并融合傳感器數(shù)據(jù)，但在過后的某個時間制定決策。
就嵌入式視覺系統(tǒng)和傳感器融合應(yīng)用而言，大部分應(yīng)用適合實時傳感器融合。
嵌入式視覺應(yīng)用
嵌入式視覺應(yīng)用正在經(jīng)歷迅猛增長，涉及領(lǐng)域廣泛，從機器人、高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）到增強現(xiàn)實，不一而足。這些嵌入式視覺應(yīng)用對最終應(yīng)用的成功運行有很大幫助。將嵌入式視覺系統(tǒng)提供的信息與來自不同傳感器或多個傳感器的信息進(jìn)行融合，有助于更好理解環(huán)境，從而提升所選應(yīng)用的性能。
很多嵌入式視覺應(yīng)用只使用一個圖像傳感器來監(jiān)控一個方向，例如只監(jiān)測汽車的前方。利用這樣的圖像傳感器可以檢測、分類和跟蹤對象。然而，由于只使用一個傳感器，因此就無法測量與圖像中對象的距離。也就是說，我們可以檢測和跟蹤到另一個車輛或行人，但如果不借助另一個傳感器，我們就無法確定是否存在碰撞風(fēng)險。本例中我們需要另一個傳感器，例如RADAR或LIDAR，該傳感器能提供與已檢測到的對象的距離。由于這種方法能夠?qū)碜远鄠€不同類型傳感器的信息融合，因此稱為異構(gòu)傳感器融合。
ADAS異構(gòu)傳感器融合實例
另一種方案是提供第二個圖像傳感器，以實現(xiàn)立體視覺。這種方案是讓兩個圖像傳感器朝著相同方向，但分開一小段距離，就像人的兩個眼睛那樣，通過視差確定對象在視場中的深度。像這樣使用多個相同類型的圖像傳感器，稱為同構(gòu)傳感器融合。
當(dāng)然，這里需要根據(jù)駕駛條件確定架構(gòu)和傳感器類型的選擇。這包括深度感的范圍、測量精度、環(huán)境光和天氣條件、實現(xiàn)成本以及實現(xiàn)復(fù)雜程度。
嵌入式視覺不僅可用于對象檢測和汽車防撞，還可以作為導(dǎo)航系統(tǒng)的一部分，用來收集交通標(biāo)志信息。另外，還可融合醫(yī)用X光、MRI和CT等多種不同圖像，或者融合安防與監(jiān)視設(shè)備中的可見光和紅外圖像。
我們通常認(rèn)為嵌入式視覺應(yīng)用只使用可見電磁光譜，其實很多嵌入式視覺應(yīng)用能融合來自可見電磁光譜以外的數(shù)據(jù)。
處理要求
如果不進(jìn)行融合，處理圖像時就需要相當(dāng)大的計算能力，這是因為系統(tǒng)要執(zhí)行一系列預(yù)處理功能。例如在使用彩色圖像傳感器時，這些處理任務(wù)包括顏色濾波插值、色彩空間轉(zhuǎn)換／重采樣以及圖像校正。除此之外，我們還要執(zhí)行傳感器融合算法本身的處理任務(wù)，在之前使用的對象檢測實例中，我們需要執(zhí)行背景減法、閾值和輪廓檢測，以使用最簡單方案定位對象，或者可能需要更強的 HoG／SVM 分類器。
隨著幀率和圖像尺寸增加，預(yù)處理圖像和提取信息所需的處理能力也會隨之增加。
然而，從圖像中提取所需的信息還只是任務(wù)的一部分，如果使用異構(gòu)融合，我們還需對來自第二個傳感器的信息進(jìn)行配置、驅(qū)動、接收和提取。如果我們選擇同構(gòu)系統(tǒng)，則需要為第二個圖像傳感器再次執(zhí)行與第一個傳感器相同的圖像處理流水線。
這樣能提供兩組數(shù)據(jù)，必須對這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以確定與對象的實際距離，這才是真正的融合。
All Programmable SoC或FPGA的優(yōu)勢
在嵌入式視覺系統(tǒng)中，一般使用All Programmable FPGA或All Programmable SoC來實現(xiàn)圖像處理流水線。如果它們能用于傳統(tǒng)嵌入式視覺應(yīng)用，那么也適用于嵌入式視覺融合應(yīng)用。
無論選擇FPGA還是SoC，嵌入式視覺應(yīng)用通常使用處理器進(jìn)行監(jiān)視、控制和通信。如果選用All Programmable SoC，那么中間有一個硬核，并有很多支持外設(shè)和接口標(biāo)準(zhǔn)。如果使用All Programmable FPGA，就會使用一個軟核，例如 MicroBlazeTM，并采用更加定制化的外設(shè)和接口支持。
對于嵌入式視覺傳感器融合應(yīng)用，我們可進(jìn)一步利用處理器為所用的眾多傳感器提供簡單接口。例如，加速計、壓力計、陀螺儀和 GPS 傳感器都配有串行外設(shè)接口（SPI）和內(nèi)部集成電路（I2C）接口，都得到All Programmable Zynq?－7000和MicroBlaze軟核處理器的支持。這使軟件能夠快速、方便地從不同類型的傳感器獲得所需信息，并提供給可擴展架構(gòu)。
在可編程邏輯架構(gòu)中可輕松實現(xiàn)用于從圖像傳感器提取信息的圖像處理流水線，此外，可編程邏輯架構(gòu)還可用來為其他異構(gòu)傳感器（例如 RADAR 和 LIDAR）或者同構(gòu)系統(tǒng)中的多種情況實現(xiàn)處理流水線。
當(dāng)使用All Programmable Zynq－7000 或 All Programmable UltraScale＋TMMPSoC時，處理器存儲器與可編程邏輯之間緊密耦合的架構(gòu)允許應(yīng)用軟件訪問所得到的數(shù)據(jù)集，以便進(jìn)一步處理和制定決策。獨立傳感器鏈可在可編程邏輯中實現(xiàn)，而且可并行運行，這對于立體視覺等需要同步操作的情況非常有利。
為了加速在可編程邏輯中實現(xiàn)的融合應(yīng)用的交付進(jìn)程，我們可利用高層次綜合（HLS）開發(fā)可直接在可編程邏輯架構(gòu)中實現(xiàn)的算法。
實例架構(gòu)
開發(fā)前面介紹的對象檢測和距離算法，利用All Programmable SoC演示同構(gòu)和異構(gòu)方案。盡管兩種方案使用的傳感器類型不用，但這兩種架構(gòu)的最終目標(biāo)都是將兩個數(shù)據(jù)集放在處理系統(tǒng)的DDR內(nèi)存，同時將可編程邏輯架構(gòu)的性能最大化。
實現(xiàn)同構(gòu)對象檢測系統(tǒng)需要使用相同的傳感器類型，這里是CMOS成像傳感器。這樣做的優(yōu)勢是只需要開發(fā)一條圖像處理鏈，這個圖像處理鏈可以為兩個圖像傳感器在可編程邏輯架構(gòu)中實例化兩次。
同構(gòu)架構(gòu)實現(xiàn)立體視覺系統(tǒng)的條件之一是要求兩個圖像傳感器同步在可編程邏輯架構(gòu)中并行實現(xiàn)兩個圖像處理鏈并使用具有適當(dāng)約束的相同時鐘，這樣有助于滿足這一苛刻的要求。
盡管視差計算需要進(jìn)行密集處理，但兩次實現(xiàn)相同的圖像處理鏈的能力可顯著節(jié)省開發(fā)成本。
上圖給出了同構(gòu)方案的架構(gòu)，其中兩條圖像處理鏈主要基于可用的 IP 模塊。圖像數(shù)據(jù)采用定制的傳感器接口IP 模塊捕獲，并從并行格式轉(zhuǎn)換為AXI流媒體。這樣能實現(xiàn)輕松可擴展的圖像處理鏈；我們可以利用高性能 AXI 互連以及視頻DMA將結(jié)果從圖像處理鏈傳送到PS DDR。
考慮采用不同類型傳感器的異構(gòu)實例， 我們可將上面介紹的圖像傳感器對象檢測架構(gòu)與RADAR 距離檢測相結(jié)合。對于RADAR的實現(xiàn)，我們有兩個選擇：脈沖方案（多普勒）或者連續(xù)波。具體選擇哪種方案取決于最終應(yīng)用要求，不過，這兩種方法大同小異。
RADAR的架構(gòu)可分成兩部分：信號生成和信號接收。信號生成部分負(fù)責(zé)生成連續(xù)波信號或者待傳輸?shù)拿}沖信號，無論哪種方案都需要利用信號生成 IP 模塊與高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行接口連接。
信號接收部分也需要使用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器來捕獲接收到的連續(xù)波或脈沖信號。說到信號處理，這兩種方案都需要使用通過可編程邏輯架構(gòu)實現(xiàn)的FFT分析方法；同樣，我們可使用DMA將得到的數(shù)據(jù)集傳送到PS DDR。
無論選擇哪種實現(xiàn)架構(gòu)，兩個數(shù)據(jù)集的融合算法都是通過軟件用PS來執(zhí)行。另外，這些融合算法對處理帶寬要求較高，實現(xiàn)更高性能的一種方法是使用現(xiàn)有工具集功能，尤其是設(shè)計環(huán)境 SDSoCTM。
SDSoC可利用Vivado HLS和連接框架（二者對軟件開發(fā)人員都是透明的）無縫地在處理器與SoC可編程邏輯之間傳輸軟件功能。當(dāng)然，我們可利用高層次綜合為同構(gòu)和異構(gòu)實現(xiàn)方式的處理鏈開發(fā)功能。我們還可進(jìn)一步擴展，針對所選的實現(xiàn)方案創(chuàng)建定制SDSoC平臺，然后借助SDSoC功能，利用未占用的邏輯資源進(jìn)一步加速整個嵌入式視覺系統(tǒng)性能的提升。
結(jié)論
傳感器融合已經(jīng)扎根，同時，嵌入式視覺系統(tǒng)正在迅速增長，傳感器快速推廣和普及。All Programmable FPGA 和 SoC 提供的功能使多種類型的傳感器可并行運行并按要求實現(xiàn)同步；同時，利用 SoC 處理系統(tǒng)或軟核處理器來執(zhí)行數(shù)據(jù)融合和決策活動。
系統(tǒng)和高層次綜合工具（如 SDSoC 和 Vivado HLS），為工程設(shè)計團隊帶來了多種優(yōu)勢，可確保如期進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。
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