更快地開發(fā)嵌入式系統(tǒng)

無論是汽車還是無人機(jī):為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)圖像處理軟件需要大量的時(shí)間，因此非常昂貴?，F(xiàn)在，Tulipp平臺(tái)使得開發(fā)高效節(jié)能的嵌入式圖像處理系統(tǒng)成為可能，這種系統(tǒng)可以更快、更便宜地開發(fā)，大大縮短了上市時(shí)間。弗勞恩霍夫光電子、系統(tǒng)技術(shù)和圖像開發(fā)研究所(IOSB)是簡(jiǎn)化這一過程的歐盟聯(lián)盟的成員之一。

乍一看，無人機(jī)、駕駛員輔助系統(tǒng)和移動(dòng)醫(yī)療診斷設(shè)備似乎沒有太多共同之處。但在現(xiàn)實(shí)中，它們確實(shí)是這樣做的:它們都越來越多地使用圖像處理組件，例如用于檢測(cè)障礙物和行人。圖像處理還可與移動(dòng)x射線設(shè)備一起使用，以確保在降低輻射水平時(shí)獲得足夠的圖像質(zhì)量，從而大大減少了放射性照射。

與工作站計(jì)算機(jī)相比，在工作站計(jì)算機(jī)中尺寸和能耗并不是特別關(guān)鍵的因素，像這樣的應(yīng)用程序需要小型、輕量級(jí)、節(jié)能的圖像處理組件，但這些組件仍然具有實(shí)時(shí)能力?；趥鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)架構(gòu)和處理器的硬件平臺(tái)不能很好地滿足這些需求。這就是為什么使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(fpga)的嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常被使用的原因。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列是一種邏輯器件，其電路結(jié)構(gòu)可以使用一種特殊的編程方式自由配置，通常涉及到低級(jí)語言VHDL。但是，有一個(gè)問題:大多數(shù)圖像處理應(yīng)用程序都是用C/ c++等高級(jí)編程語言編寫的，它們遷移到嵌入式系統(tǒng)非常復(fù)雜。VHDL不僅與其他編程語言有很大的不同，而且代碼還必須適應(yīng)特定的硬件。這意味著即使現(xiàn)有的VHDL程序也不能轉(zhuǎn)移到其他硬件上。軟件開發(fā)人員幾乎必須從頭開始使用每個(gè)新系統(tǒng)。

用于快速實(shí)現(xiàn)特別節(jié)能的嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)包

一個(gè)由來自6個(gè)國(guó)家的8個(gè)合作伙伴組成的財(cái)團(tuán)，包括位于卡爾斯魯厄的弗勞恩霍夫光電子、系統(tǒng)技術(shù)和圖像開發(fā)IOSB研究所，現(xiàn)在已經(jīng)大大簡(jiǎn)化了郁金香項(xiàng)目的這一程序?！敖Y(jié)果是一個(gè)開發(fā)平臺(tái)，包括設(shè)計(jì)指南、可配置的硬件平臺(tái)和支持多核處理器的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以及一個(gè)編程工具鏈，”Dr.-Ing說。Fraunhofer IOSB集團(tuán)經(jīng)理Igor Tchouchenkov說。“我們?cè)赥ulipp的一個(gè)合作伙伴投放市場(chǎng)的初學(xué)者工具包提供了額外的支持。starter工具包使開發(fā)這樣的應(yīng)用程序更快、更容易。將c++程序移植到FPGA上，通常意味著開發(fā)人員需要幾個(gè)月的工作，而使用Tulipp starter工具包只需幾周就可以完成。

這意味著開發(fā)人員首先必須考慮，基于c++編寫的軟件，哪些代碼元素應(yīng)該分配給哪些硬件組件，哪些程序步驟可以優(yōu)化或并行化。制定的設(shè)計(jì)指南為這項(xiàng)任務(wù)提供了幫助。然后開始比賽。它包含可配置的硬件，必要的傳感器和輸出設(shè)備可以連接到這些硬件，支持多處理器的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以及所謂的sthey工具鏈。工具鏈中的應(yīng)用程序使得對(duì)c++程序進(jìn)行優(yōu)化成為可能，這樣就可以盡可能輕松、快速地將其移植到FPGA上。Tchouchenkov說:“工具鏈的一個(gè)特別重點(diǎn)是能源優(yōu)化:畢竟，目標(biāo)是設(shè)計(jì)盡可能由小電池供電的圖像處理系統(tǒng)?！薄肮ぞ哝?zhǔn)箚为?dú)顯示和優(yōu)化每個(gè)代碼功能的能耗成為可能?！?/p>

比高端電腦快100倍

該財(cái)團(tuán)通過三個(gè)具體的用例來開發(fā)和測(cè)試Tulipp平臺(tái):弗勞恩霍夫IOSB研究小組解決基于立體相機(jī)的障礙檢測(cè)無人機(jī),而其他項(xiàng)目合作伙伴在行人檢測(cè)附近的一輛汽車和生活質(zhì)量提高x射線圖像的移動(dòng)C-Arms在外科手術(shù)。在Tulipp中，他們將相應(yīng)的圖像處理軟件從c++移植到FPGA。

結(jié)果令人印象深刻:原本在高端PC上分析一張圖片需要幾秒鐘，現(xiàn)在可以在無人機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行，也就是說，現(xiàn)在大約每秒分析30張圖片?！靶腥藱z測(cè)算法的速度可以提高100倍:現(xiàn)在系統(tǒng)每秒可以分析14幅圖像，而不是每7秒分析一幅圖像?！睉?yīng)用消聲濾光片可提高x光圖像的質(zhì)素，令手術(shù)期間的輻射強(qiáng)度減至原來的四分之一。同時(shí)，這三種應(yīng)用都可以顯著降低能耗。