视觉处理平台VPU发展趋势

摘要：随着物联网智能化需求的出现，视觉感知成为一种至关重要的融合技术，其核心处理平台也在发生着深刻的变革。视觉处理平台(VPU)的推出促进视觉处理技术的创新发展，Movidius公司以独特的专用视觉处理VPU芯片，致力于拓展面向广阔视觉感知领域的应用市场，展现出的高集成、高性能以及小型化的特色，代表着VPU未来的发展方向。

视觉处理推进处理器平台发展

　　视觉处理(Vision Processing)技术是一个既传统而又新鲜，需要融入各种创新因素的综合影像处理技术。视觉处理依赖于通用处理器平台的性能，最初基于计算机软件算法实施处理，之后借助高速数字信号处理器(DSP)完成嵌入式实时应用。随着DSP性能大幅提高和浮点运算的出现，视觉实时处理技术和应用有了长足的进步。但是，视觉处理需要很多特别处理，若纯粹采用通用高速处理芯片和算法软件还是难以适应不断提高的要求，因此需要采取更多更新且有针对性的处理手段。

　　随着多种高速高性能处理器技术的发展，视觉处理有了更多的可选平台。可编程逻辑阵列(FPGA)基于硬件可编程方式进行处理;嵌入式应用处理器(AP)可集成多种专用协处理器辅助处理;具有专用IP的单片系统(SoC)则可以直接将硬件处理单元植入系统平台。相比之下，通用DSP平台的针对性有所局限，需要通过多核集成，或多片阵列来提高性能。然而，在视觉处理新的市场环境下，对性能、功耗、价格和尺寸的更高需求对处理器提出了更加严格的要求，因此，视觉处理平台VPU(Vision Processing Unit，简称VPU)成为一种全新的核心引擎。由于VPU中集成了多种专门进行视觉处理的硬件结构，因此在处理上可以有很大的超越，其综合性能可大幅度提升到每瓦性能超过600GFLOPS(浮点运算单位)，是其它处理器的二至三倍，而价格仅为几分之一。

视觉处理器平台的特色及应用

　　VPU针对视觉处理应用而设计，在性能、功耗和功能性方面都有特别的强化，使之更贴近于实际的应用需求，其设计兼顾到多种用途，专门为视觉处理进行硬件系统的优化。其实VPU也是一个SoC，内部集成有多个主控RISC的CPU、许多硬件加速器单元和矢量处理器阵列，专门为视觉海量像素设计的高性能影像信号处理器(ISP)，以及丰富的高速外围接口。在保证强大性能和功能的前提下，VPU采用更先进的集成电路工艺，大大缩小了芯片的尺寸，并结合有效的技术手段，降低各个运算单元的功耗。

　　当前行业内处于领先地位的VPU平台是Movidius公司推出的小型化、低功耗架构，本人近期在北京与该公司高级副总裁Farshid Sabet先生有过交流，通过正在进行的产品路演(Roadshow)，对于 Myriad 系列VPU平台有了直观的感受。这是一款可以用于3D感知及扫描建模的芯片，可以支持室内导航、360度全景视频处理等机器视觉应用，其视觉处理性能超出其它处理器平台十倍，功耗则低一个数量级，而尺寸和价格都仅为五分之一，如图1所示为Myriad芯片和硬件参考设计。这款VPU的出现，无疑向新兴的智能相机市场注入了活力。

　　Myriad 的第二代VPU采用全新的体系架构，提升性能达到二十倍，增强视觉处理能力使之成为新的VPU标杆，同时支持六个60帧全高清视频信号输入，而功耗在1.2瓦以内，芯片采用28纳米工艺制造。新平台的突出表现在于实现虚拟现实、室内定位和物体识别的应用，是机器人视觉应用的理想选择。通过该芯片超小型的尺寸，可以应用到智能工业相机中和各种智能终端，也可用在纽扣式智能相机上，或在可穿戴智能相机上扩展使用。

　　VPU为视觉应用提供了一个强大的平台，但更多的开发工作是在软件上，基于VPU的视觉应用系统开发可以充分利用片上的硬件单元及相关的软件资源。如图2所示为包含工具、支持库及框架的完整VPU软件开发套件(SDK)，以往视频处理器中涉及视觉处理的单元得到了增强，如核心视觉处理单元、线性代数运算矩阵，还有前端影像处理单元，不仅包含ISP处理，还有ISP仿真，并支持相机调试工具。图形处理能力的提升表现在支持图形检测API，为便于多核异构芯片开发而支持OpenCL。由于在视觉应用中，与高敏感度和超高像素的传感器的接驳尤为重要，因此专门有传感器支持接口单元。另外VPU所特有的工具单元也提供视觉调试的全面支持。VPU中的主控制器、BSP、HDK等通用单元以开放为主，便于客户进行更多应用开发。

视觉处理器的市场前景展望

　　作为一个行业的平台领先者需要有足够的积累和不懈的进取，当然还要有强大的财力和物力的支持，VPU平台的创建和发展也绝不轻松，对此Sabet先生畅谈了Movidius的发展历程。这确实是一家颇具传奇色彩的创新型公司，十年来只专注做一件事，就是创建和完善VPU平台。我惊奇地得知Movidius最早的成立地竟然是爱尔兰的都柏林，而后又在罗马尼亚，再到美国的硅谷建立研发团队。公司创始人都堪称半导体和处理器行业的元老，公司并设立技术指导委员会，确立公司的技术路线和VPU平台发展总体规划。在Movidius核心管理层中，我听到了不少熟悉的名字，其中就有TI及其他知名公司资深的高管和专家。公司员工目前虽未过百人，但研发人员就占了九成，其中五分之一负责VPU芯片硬件设计，而其余从事VPU上软件构建，由此可见VPU应用在很大程度上依赖于软件。

　　Movidius选择VPU作为公司的立基之时，物联网尚在起步，其智能化必将带来视觉处理的蓬勃发展。尽管研发处理器平台必然投入巨大、周期漫长，投资产生回报更要有耐性，但创新才是硬道理，在VPU未为大牌公司所关注，也就没有被垄断的风险，Movidius抓住了这个机遇，潜心数年打造出名为Myriad的系列VPU平台。据权威机构预测，全球物联网设备数量将达到500亿之多， 若十分之一有视觉需求已极为可观，届时新的视觉处理器之争将展开。Movidius未雨绸缪，已经开始了新兴市场的布局。如图3所示为VPU面向物联网的视觉感知应用方向，其中无人机的应用将包含传感和防撞，以及盘旋定位和像素映射;VR和VA相关的手势和姿态、人眼跟踪、3D触控;服务机器人的3D映像及自动导向;安防监控的前端实时视频智能分析和自动识别。在此基础上可不断扩展视觉相关的应用。

　　Movidius在视觉处理平台发展中的优势在业界引人瞩目，使得Google Project Tango选择后作为合作伙伴，并将第一代Myriad VPU引入其3D视觉手机和平板电脑产品，而Myriad二代未来将为智能机器人、可穿戴设备等嵌入式物联网设备提供视觉感知支持。Movidius慎重选择具有发展潜力的合作伙伴，并全力支持他们使用其芯片以获得市场成功。中国是Movidius极为看重的市场，业已投入资源，以VPU支持中国企业在视觉感知领域的创新和拓展。期待VPU能在中国新兴产业的发展中获得更加广阔的市场空间，更好地服务于中国制造2025的宏伟战略规划。

参考文献：

　　[1]王莹,叶雷.物联网趋势下的安防监控发展,电子产品世界,2015(6)

　　[2]迎九.GEO向消费和工业市场推出图像处理引擎,电子产品世界,2014(11)

　　[3]李星宇.飞思卡尔i.MX6应用处理器助力机器视觉,电子产品世界,2014(11)

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第1期第25页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。