基于Blackfin的圖像處理，及其性能與CMOS傳感器中I

基于Blackfin的圖像處理，及其性能與CMOS傳感器中ISP的比較

圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域必然涉及到人類生活和工作的方方面面。隨著人類活動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域也將隨之不斷擴(kuò)大。遍布航天航空、醫(yī)療設(shè)備、通信工程、軍事安防、文化藝術(shù)等眾多方面。近年來，隨著消費(fèi)類產(chǎn)品尤其是拍照手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等一系列數(shù)碼產(chǎn)品的問世，這些視頻設(shè)備中蘊(yùn)含的圖像信號(hào)處理功能也逐漸被人們所認(rèn)知和關(guān)注。而伴隨近年來數(shù)字電視、IP攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭以及監(jiān)控?cái)z像頭這類安防產(chǎn)品的迅速發(fā)展，更表明市場(chǎng)對(duì)智能監(jiān)控需求的不斷增長(zhǎng)，這也是圖像信號(hào)處理技術(shù)不斷豐富和完善的過程。在這些圖像信號(hào)處理中，包括自動(dòng)對(duì)焦、自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡以及顏色變換、背光補(bǔ)償?shù)榷际且恍┗镜膱D像處理算法。

傳統(tǒng)的圖像信號(hào)處理是通過專用的圖像處理器完成的。而隨著CMOS技術(shù)的不斷發(fā)展，也出現(xiàn)了將圖像信號(hào)處理（ISP）內(nèi)置于CMOS圖像傳感器中的單芯片產(chǎn)品，這類傳感器產(chǎn)品可借助其內(nèi)部集成的功能模塊完成一些圖像信號(hào)處理的算法，包括自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、顏色變換等這些基本的算法。這類ASIC產(chǎn)品的出現(xiàn)曾一度頗具爭(zhēng)議，因?yàn)殡m然將ISP內(nèi)置于傳感器中具有降低功耗和節(jié)省占用面積的優(yōu)點(diǎn)，但單就手機(jī)應(yīng)用而言，從成本來講，將ISP集成在傳感器上的成本比ISP集成在移動(dòng)多媒體處理器或基帶上要高很多。隨著傳感器分辨率的提高，越來越多的傳感器將只整合輸出數(shù)字信號(hào)所必需的電路，而將圖像處理及壓縮等功能集成于移動(dòng)多媒體處理器或基帶中。而從成像質(zhì)量來看，在移動(dòng)多媒體處理器中集成功能強(qiáng)大的圖像處理功能效果更佳，而且此趨勢(shì)隨分辨率的提高會(huì)愈加明顯。所以業(yè)界一直有ISP與CMOS傳感器將背離集成的趨勢(shì)預(yù)言。但從近年來的CMOS傳感器供應(yīng)商推出的新產(chǎn)品線來看，這一預(yù)言未能兌現(xiàn)。因?yàn)槲覀兛吹?，不斷有一線的CMOS傳感器供應(yīng)商如Aptina、OmniVision推出最新的內(nèi)置ISP的CMOS圖像傳感器單芯片產(chǎn)品，并在不斷完善其功能、擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。目前已推出的這類單芯片產(chǎn)品除擁有包括曝光控制、伽瑪校正、白平衡、色彩飽和度調(diào)節(jié)以及灰度控制等多種圖像處理功能外，還可提供出色的低照度性能，在夜視環(huán)境下還具有優(yōu)異的近紅外響應(yīng)性能，能為攝像頭制造商提供更完善的自動(dòng)白平衡和自動(dòng)曝光功能，圖像性能毫不遜色。一系列優(yōu)異性能使其已由最初的拍照手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)應(yīng)用逐漸發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)攝像頭、監(jiān)控?cái)z像頭等新興安防產(chǎn)品領(lǐng)域，其擴(kuò)張態(tài)勢(shì)仍在繼續(xù)，大有星火燎原之勢(shì)。

應(yīng)該說在數(shù)碼相機(jī)等追求小巧輕薄的消費(fèi)類產(chǎn)品應(yīng)用中，內(nèi)置ISP的CMOS傳感器存在一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，低功耗和小面積的表現(xiàn)以及隨生產(chǎn)規(guī)模而不斷降低的成本使其成為眾多應(yīng)用廠商的寵兒。在這同時(shí)我們要看到，這種內(nèi)置ISP的CMOS傳感器方案目前還只能完成一些不太復(fù)雜的算法，而隨著智能化要求的不斷提高，消費(fèi)類產(chǎn)品，尤其是視頻監(jiān)控等安防產(chǎn)品都要求更高的視頻處理功能，也就要求更復(fù)雜的算法，而復(fù)雜的算法對(duì)主芯片的處理能力提出更高的要求。如傳統(tǒng)上許多監(jiān)控?cái)z像機(jī)基于像素分辨率為NTSC(352×240)或PAL(352×288)的準(zhǔn)普通媒體格式(CIF)，同時(shí)在壓縮格式方面主要采用了不太復(fù)雜的M-JPEG格式，從而對(duì)DSP處理性能要求不高。但是隨著視頻監(jiān)控市場(chǎng)的迅速發(fā)展，人們期待更高的圖像清晰度和更高的幀率。在分辨率方面，業(yè)界期待D1（704×576）或者更高的解析度；在編解碼方面，則期待采用復(fù)雜的MPEG-4壓縮格式。同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的發(fā)展，當(dāng)DVR、DVS或者IP攝像機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)終端時(shí)，還需要考慮如何在傳輸過程中占用更少的帶寬，因此MPEG-4正在向壓縮比更高的H.264和AVS的編碼格式演進(jìn)。而這些更為先進(jìn)的視頻信號(hào)分辨率和壓縮格式則會(huì)大大提高對(duì)核心處理器中處理能力的需求。除了強(qiáng)大的處理能力之外，還需要處理器平臺(tái)提供足夠的靈活性。從目前來看，在壓縮格式方面雖然H.264最受業(yè)界青睞，有望成為未來幾年的的主流。但是，由于M-JPEG、H.263、MPEG4和H.264等編解碼算法各有優(yōu)勢(shì)，再加上市場(chǎng)需求的多元化，這些標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)共存。要使方案具有競(jìng)爭(zhēng)力，必須對(duì)盡可能多的標(biāo)準(zhǔn)給予支持。同時(shí)，媒體處理格式和算法也在不斷更新，當(dāng)更為先進(jìn)的算法出現(xiàn)時(shí)，工程師希望只需在原有解決方案基礎(chǔ)上進(jìn)行基于軟件的簡(jiǎn)便的升級(jí)，而不是重新設(shè)計(jì)。同時(shí)，視頻監(jiān)控又有其對(duì)保密性等安全技術(shù)的特殊要求，無論是商業(yè)還是家庭應(yīng)用，設(shè)備本身都存在著被非法侵入和黑客攻擊的威脅，要充分保障設(shè)備的安全性對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)無疑是很大的挑戰(zhàn)。在這時(shí)，內(nèi)置ISP的單芯片CMOS傳感器產(chǎn)品就顯示出先天不足的缺點(diǎn)，因其尚不能完成如此復(fù)雜的功能，而要配備單獨(dú)的圖像處理器才能滿足要求。ASIC雖然具有成本優(yōu)勢(shì)，但是在應(yīng)對(duì)媒體格式、算法的改進(jìn)和升級(jí)方面則具有天生的弊端，在音視頻標(biāo)準(zhǔn)不斷演進(jìn)以及算法不斷改進(jìn)的視頻監(jiān)控市場(chǎng)，ASIC顯得遜色很多。

在這里，傳統(tǒng)的處理器供應(yīng)商如ADI、TI、NXP等具有不可替代的競(jìng)爭(zhēng)力。其中ADI公司專為滿足當(dāng)今嵌入式音視頻和通信應(yīng)用的計(jì)算要求及功耗約束條件而設(shè)計(jì)的新型嵌入式處理器Blackfin系列以其突出的性能表現(xiàn)而格外搶眼。

Blackfin系列處理器在圖像處理方面有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，包括：

* 可以升級(jí)到最新的視頻標(biāo)準(zhǔn)，向用戶提供處理所有現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和未來標(biāo)準(zhǔn)的能力；

* 動(dòng)態(tài)電源管理。所有的 Blackfin 處理器均采用了多種節(jié)能技術(shù)。Blackfin 處理器基于一種選通時(shí)鐘內(nèi)核設(shè)計(jì)，可按照逐條指令來選擇性地切斷功能單元的電源。還支持多種針對(duì)所需 CPU 動(dòng)作極少（或根本不需要 CPU 動(dòng)作）期間的斷電模式。該處理器還支持一種自含動(dòng)態(tài)電源管理電路，借助該電路即可對(duì)工作頻率和電壓進(jìn)行獨(dú)立控制，以滿足正在執(zhí)行的算法的性能要求。這些轉(zhuǎn)換可以在一個(gè) RTOS 或用戶固件的控制之下連續(xù)出現(xiàn)。大多數(shù) Blackfin 處理器都提供了片上內(nèi)核穩(wěn)壓電路，并可在低至 0.8V 的電壓條件下工作，因而特別適合于需要延長(zhǎng)電池使用壽命的便攜式應(yīng)用；

* 具有高性能處理器內(nèi)核。該處理器架構(gòu)基于一個(gè)10級(jí)RISC MCU/DSP流水線和一個(gè)專為實(shí)現(xiàn)最佳代碼密度而設(shè)計(jì)的混合16/32位指令集架構(gòu)，該架構(gòu)很適合于高密度、大運(yùn)算量的圖像處理系統(tǒng)；

* 高帶寬的DMA。圖像處理系統(tǒng)需要對(duì)大量的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這涉及到內(nèi)存數(shù)據(jù)存取，采用Blackfin的二維DMA控制器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，大幅度減少處理器的內(nèi)核開銷；專用的視頻指令集，圖像處理中存在大量的視頻像素處理，Blackfin處理器具有專門為8位視頻數(shù)據(jù)以及常用的視頻像素處理算法設(shè)計(jì)的指令集，大大提高了處理速度；

* 分級(jí)的存儲(chǔ)空間。Blackfin具有L1和L2兩級(jí)Cache，對(duì)于一些不適合使用DMA操作的數(shù)據(jù)，可以采用數(shù)據(jù)/代碼緩沖的模式來加快處理速度；

* 豐富的外設(shè)功能。Blackfin具有高速的串/并行數(shù)據(jù)接口，可以無縫的連接其它高速器件；

* 安全方面，Blackfin Lockbox Secure Technology利用軟硬件相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)各種安全保護(hù)功能。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行鑒定的公共密鑰存儲(chǔ)于單次可編程（OTP）內(nèi)存中的用戶可編程區(qū)域，這種存儲(chǔ)方式可以由OEM來控制和定義。同時(shí)由于其具有可編程性，使指令集可實(shí)現(xiàn)豐富的軟件加密算法，意味著相同的裝置能支持多種內(nèi)容保護(hù)格式。故該技術(shù)可從來源的驗(yàn)證、內(nèi)容的完整性、機(jī)密性以及可更新性等多方面為整個(gè)視頻監(jiān)控設(shè)備提供一個(gè)安全環(huán)境；

* 低功耗、低成本也是Blackfin擁有突出性價(jià)比的制勝法寶。

基于以上技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)由于其強(qiáng)大的多媒體處理能力、專業(yè)的算法支持、和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使Blackfin不僅能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的自動(dòng)對(duì)焦等3A1B算法，還能夠執(zhí)行復(fù)雜的如自動(dòng)精選代碼等計(jì)算密集型算法，尤其在對(duì)處理器要求極高的智能視頻監(jiān)控等產(chǎn)品中更發(fā)揮著出色的作用。

僅以智能視頻監(jiān)控產(chǎn)品為例，盡管已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，智能視頻分析領(lǐng)域目前仍無公認(rèn)的最優(yōu)方法。其自身研究?jī)?nèi)容的復(fù)雜性，使得算法復(fù)雜度高，適用范圍有限，研究方法和工具多樣，沒有魯棒性、準(zhǔn)確度、速度都符合需求的普遍方法。同時(shí)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和分布式處理的要求，以及大規(guī)模工程安裝對(duì)成本、體積和功耗的限制，使運(yùn)算能力和帶寬都在不斷提高的嵌入式處理器成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主流選擇。而非標(biāo)準(zhǔn)化的智能視頻分析，正是DSP的用武之地。

Blackfin的幾十個(gè)DMA通道和可靈活配置的Cache很好地滿足了視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)大運(yùn)算量，高數(shù)據(jù)吞吐率的要求。10級(jí)流水線使得Blackfin有很強(qiáng)的指令并行執(zhí)行能力。零開銷循環(huán)控制指令讓系統(tǒng)中的大量循環(huán)跳轉(zhuǎn)不再消耗任何處理器的時(shí)鐘周期。利用這些優(yōu)勢(shì)，real解碼器的idct4×4算法在Blackfin上速度提高了7倍。

另外，視頻數(shù)據(jù)也有其自身的特性。在不同的顏色空間內(nèi)，表示像素的每個(gè)分量通常是8位寬度。

Blackfin的4個(gè)視頻算術(shù)運(yùn)算單元和視頻像素指令集大大加速了視頻運(yùn)算速度。一條視頻像素操作指令可以在一個(gè)周期內(nèi)完成4對(duì)視頻數(shù)據(jù)分量的加法、減法、加減混合、取平均值或者相減并求絕對(duì)值等11種視頻像素運(yùn)算。這些運(yùn)算在編解碼算法中的運(yùn)動(dòng)估計(jì)、loopfilter和智能視頻分析的各種算法中大量應(yīng)用。在智能視頻分析的一些基礎(chǔ)算子中，如直方圖統(tǒng)計(jì)，中值運(yùn)算，Sobel運(yùn)算，形態(tài)學(xué)中的膨脹運(yùn)算等都可以利用Blackfin的MIN,MAX指令來消除條件跳轉(zhuǎn)，節(jié)省處理器周期。不僅如此，Blackfin還支持13種非視頻數(shù)據(jù)的向量運(yùn)算。適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在前背景分離、閾值計(jì)算和更新等多個(gè)環(huán)節(jié)都可以運(yùn)用Blackfin的特色指令從而使智能視頻分析的算法更加快捷。這些有效的指令中，大部分指令都能并行執(zhí)行，使Blackfin的處理能力再加倍。

應(yīng)用方面，由南京新奕天科技有限公司與香港大學(xué)合作開發(fā)出的基于Blackfin系列最新產(chǎn)品BF561的一流智能視頻監(jiān)控設(shè)備ThinkSmart已經(jīng)推向市場(chǎng)。其中BF561獨(dú)特的雙核設(shè)計(jì)使ThinkSmart在處理核上能獨(dú)立的運(yùn)行圖像處理和系統(tǒng)控制任務(wù)，從而達(dá)到最佳的整體性能，使此款產(chǎn)品能夠簡(jiǎn)單而又有效檢測(cè)威脅或閑雜訪客，實(shí)現(xiàn)一系列智能化視頻監(jiān)控功能。

Blackfin系列處理器在圖像處理方面，尤其是應(yīng)對(duì)智能化的技術(shù)挑戰(zhàn)方面，是眾多應(yīng)用廠商的理想之選。ADI公司也在努力通過最新的CMOS深亞微米工藝尺度、更深的流水線、多內(nèi)核、每個(gè)核心更多的計(jì)算單元，以及充分利用信號(hào)處理加速引擎，繼續(xù)提高Blackfin系列的性能，增強(qiáng)其在性價(jià)比和性能功耗比方面的領(lǐng)先地位。