Xcell China 28 - (Page 12) 技 術 專 欄 用 Spartan-3A DSP 器件 實 現 汽 車應 用中的 塊匹 配 Spartan-3A DSP FPGA 在汽車駕駛員輔助應用中比 VLIW DSP-CPU 更勝一籌 作者：Daniele Bagni Xilinx 公司 DSP 專員 daniele.bagni@xilinx.com Paul Zoratti Xilinx 公司 汽車高級系統架構師 paul.zoratti@xilinx.com 汽 車工程師採用多種智能技 術幫助人們安全駕駛汽車。汽車系統中的 主要技術包括雷達、超聲和攝像 /視覺感 測。這些技術統稱駕駛員輔助 (DA) 系統， 用於在惡劣條件和危險路況下協助安全 駕駛。 第一代攝像 DA 系統目前可見於各種 生產用車型。這類系統大多為駕駛員提供 車輛周邊環境的視頻圖像。最常見的是泊 車/倒車輔助系統，這種系統用後視攝像 頭拍攝本車後面的景物，並且在收音機/導 航系統的屏幕上或者在儀表板中的小型 顯示器上顯示圖像。 第二代 攝像 系 統正 處於 開發 測試 階 段，目前使用有限。第二代系統並非僅為 駕駛員提供圖像，而是運用圖像處理與解 析從視頻流中提取信息 ，並且對車輛環境 進行表徵和評估。必要時駕駛員會收到相 應警示。 隨着工程師們獲取車輛環境表征方面 的實際經驗，未來的 DA 技術會更複雜， 將為消費者提供更強大的實用工具並且 增強其他汽車子系統的性能。圖 1 概括了 目前和未來的多種 DA 功能。 例如，前瞻視覺模塊可能需要同時支 持車道偏離警示、智能大燈控制和標誌識 別功能，而所有這些都需要不同的處理算 法。因此，對於用 FPGA 通過原始圖像數 據處理、配置靈活性和器件可縮放性來提 供系統價值，DA 市場提供了實實在在的 機會。 視覺 DA 系統的圖像處理與解析功能 可以包括空間/時間濾波、鏡頭失真校正、 圖像清晰化、對比度增強、邊沿檢測、圖 像匹配、物體識別和物體跟蹤，在某些情 況下還包括圖形叠加。尤其值得關注的是 一種支持運動估計或立體視差計算的圖 像匹配功能。 為了說明 FPGA 處理的性能價值，我 們來考慮這樣一個視覺系統： 30 Hz 幀 以 速率 (fps) 生成視頻的寬幅 VGA 分辨率成 像器件 （752 x 480 像素） ，而且需要估計 幀間物體運動 （或流動） 。有一種算法 （也 適用於立體視差計算） 是將圖像劃分為若 干個塊 （如大小為 4 x 4 像素） ，然後判斷 第一幀中各圖像塊對第二幀中指定搜索 區 （如 20 x 20 像素） 內某位置的匹配條 件。 一種常用的匹配 條 件是 用算子 S A D （絕對差和） 求出第一幀圖像中的 4 x 4 塊與第二幀圖像上搜索區內的像素之間 的像素灰度最小絕對誤差 (MAE)。 我們的 4 x 4 塊匹配 示例需要 25 0 （每秒百萬次 MAE 計算） 以上的 MMAE/s 性能，因為 (752 像素) x (480 行) x (20 x 20 像素搜索區) x (30 fps)/(4 x 4 像素塊大小) = 270,720,000 MAE/s。MAE 表示 4 x 4 像 素塊的最終匹配誤差，而 SAD 是指根據四 個獨立元素對進行計算得到的絕對差和。 所以 ，每 MAE 需要四次 SAD 運算。 處理選項 由汽車設計工程師決定的處理選項包 括超長指令字 (VLIW) DSP-CPU 和 FPGA。 F P G A 的處理能力遠遠高於 任 何 現有的 VLIW DSP-CPU。這是由於 FPGA 的架構： 大量並行功能單元 （包括可編程 MAC） 使 FPGA 的性能比任何 DSP 都高出 10-30 倍 （具體性能取決於所實現的應用） ，即 使 FPGA 的時鐘頻率比 DSP-CPU 的時鐘頻 率低得多。我們使用塊匹配運算示例，是 要證明 Xilinx ® FPGA 的性能比任何 VLIW DSP-CPU 處理器都高。 高級處理要求 DA 系統的處理要求可能超過目前汽 車級串行 DSP 處理器的能力。另外，為了 提高消費價值，在一套視覺傳感器上捆綁 多種 DA 功能的需求日益高漲。 VLIW DSP-CPU 處理器中的 SAD 和 MAE 計算 在一 個 3 2 位 架構的單 指 令多數 據 (SIMD) DSP-CPU 中可實現四個 8 位像素視 頻數據單元的 SAD 運算 ，因此，僅在一個 12 賽靈思中國通訊 28期 ©2007 Xilinx Inc. 版權所有。XILINX、Xilinx 標誌以及本文件中包括的其他品牌名稱，是 Xilinx, Inc. 的商標。所有其他商標都是其各自所有者的財產。
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