飞思卡尔i.MX6应用处理器助力机器视觉应用

飞思卡尔MPU亚太区市场经理 李星宇

“当你戴上这副眼镜，它会自动告诉你，你手指所指的东西是什么！”在日前举行的飞思卡尔技术论坛上，飞思卡尔CEO Gregg Lowe和以色列OrCam公司创始人Amnon Shashua教授现场演示了Orcam为视力障碍人士设计的视觉辅助装置，现场演示中，当这个装置成功地朗读出报纸的一篇新闻，并为演示者辨认出一张百元钞票时，场下掌声雷动。OrCam表示，全球范围内有超过3亿人有视力障碍或视力受损，这项鼓舞人心的成就将为他们带来新的希望。

该设备基于飞思卡尔i.MX 6Q处理器。Shashua表示：“i.MX 6Q四核处理器提供卓越性能，并支持全天的续航，为因视觉障碍而阻碍他们与周围世界轻松互动的人们设计可穿戴、经济和直观的解决方案。OrCam能够帮助视障人士弥补失去的视力，显著提高其生活质量。”

i.MX 6Q处理器集成4个ARM Cortex-A9内核，运行速率高达1.2 GHz，并在内部集成了3个GPU，可提供出色性能来处理Orcam产品视觉传感器捕获的海量数据，支持在单芯片上执行所有图像处理算法和软件语音编解码器。

越来越多的机器视觉创新应用正在涌现，其中一个就是先进驾驶辅助系统（ADAS），德国的DSP Weuffen公司与飞思卡尔合作，推出了基于i.MX6的多摄像头环视（Surrounding View）泊车辅助系统，它通过4个摄像头采集车辆四周的图像，并以虚拟俯视图的形式在屏幕上显示。视角会根据行车轨迹而动态移动，提供车辆四周360°的画面。这一系统可以改善众多新手的驾驶体验。对于正在进入汽车社会的中国来说，这无疑是极具吸引力的卖点。

飞思卡尔还与Intersil公司合作，推出一款经济型的多摄像头解决方案，在该方案中，Intersil的TW6865接口芯片可以连接多达4个CVBS摄像头，并将产生的数据通过PCIe接口传输至i.MX6，目前已经有国内的设计公司推出了基于该方案的ADAS系统。该方案更可应用于公交巴士、楼宇监控等场合。

这只是冰山的一角，基于i.MX6的计算视觉应用还包括用于工厂生产线上手机屏幕品质的检测，该系统可以检测屏幕亮点、黑点以及灰度值等；在商场或者超市，利用机器视觉进行人流量统计分析，为商业大数据分析提供支持；在电梯领域，分析各个楼层的人数，以便进行更加高效的调度；在安保方面，有实时运动物体检测，并且有Auzone这样的专业合作伙伴提供多种算法支持。

图1 基于i.MX 6系列处理器的多摄像头环视泊车辅助系统

机器视觉正迎来全新的发展机会

工业自动化正在迈向工业智能化。业内专家认为，人口红利的刘易斯拐点将会在2015年出现。随着劳动人口的下降和老龄人口的上升，许多企业将面临劳动力成本上升的问题，因此对于工业智能化有强烈的需求。这为机器视觉带来了全新的应用。

目前简单劳动的机器替代趋势已经形成，而具有机器视觉的智能设备可以帮助自动化设备实现高度灵活的配置，以及适应更加复杂的作业任务，例如物流分拣、产品品质检测、高精度加工、装配工作等，而通过M2M的互联，更有助于提高自动化系统内部各个单元的协作效率，从而扩大机器替代人力劳动的范围。据国际机器人联合会此前预测，到2014年，中国将成为全球工业机器人的最大市场，年均销售增长率达到25%。我们注意到，汽车制造、电子装配、仓储物流以及建材生产等行业对于工业机器人的需求非常旺盛。

在人工成本急剧上升、产业结构升级的宏大背景下，中国不断出台新的政策支持工业机器人的发展。2015年伊始，中国工业机器人即迎来重大利好。工信部发布《关于推进工业机器人产业发展的指导意见》，针对中国工业机器人的发展现状，《意见》提出了具体目标，包括到2020年，高端产品市场占有率提高到45%以上，机器人密度（每万名员工使用机器人台数）达到100以上，等等。这意味着政府认为在未来6年内中国工业机器人的保有量将增长4倍。

机器视觉的另一个应用是钢铁工业，包括焊缝的自动跟踪，带钢表面缺陷的自动检测、连铸、轧钢等工序中的品质控制等等。考虑到中国庞大的钢铁工业规模，机器视觉技术带来的经济回报可达千亿元的量级。这些技术同样可以使玻璃、石化等传统行业受益。

从更长远的视角来看，机器视觉是继语音之后，人工智能发展的下一个关键环节。目前人工智能在语音方面已经步入了实用化，苹果的Siri和三星的S-Voice等应用已经为智能手机带来了体验上的巨大提升，但在视觉领域，这样的创新应用才刚刚开始，一个关键因素在于视觉人工智能在技术上的要求较语音技术高得多，在实时状态下，视频数据的生成量要超过音频数据两到三个数量级，由此导致的计算量也同步增加。微软的Kinect在这方面迈出了重要的一步，仅仅为了识别人体部位，就需要数以TB计的数据被输入到集群系统中来教会Kinect以像素级技术来辨认手、脚以及它看到的其他身体部位。

在未来，我们会看到更多之前难以想象的机器视觉应用投入实用，例如用于反恐的人流实时识别分析技术、通过分析瞳孔变化来监测生理/心理变化的技术（可用于非干扰的酒驾检查、疲劳驾驶监测、医院看护）、无人驾驶汽车等。这些技术有机会带来超过万亿美元的商机。

为什么i.MX6适合机器视觉应用？

i.MX6非常突出的一个优势是它提供了OpenCL支持，为什么OpenCL对于机器视觉如此关键呢？

正如上文提到的，机器视觉系统需要进行大量并行的数据运算，包括图像校正、图像灰度化及二值化、图像分割与裁剪、边缘检测等等。目前，许多机器视觉算法基于开源的OpenCV来实现。OpenCV（Open Source Computer Vision Library）是一个致力于实时处理计算机视觉运算的开源库，至今已有超过250万的用户。虽然OpenCV的目标是能够实时地处理计算机视觉问题，但是大多数计算机视觉的算法太过复杂，无法在CPU上实时执行。而计算机视觉的大多数算法具有天生的并行性，因此非常适合在GPU和APU上执行并获得极大的加速。

OpenCL正是为满足这样的需求而定义的。OpenCL（Open Computing Language）是一个在异构平台（如CPU和GPU）上高效执行程序的开源计算框架，使得GPU可以分担CPU的计算负荷。它使应用程序能够在GPU上执行，使GPU不仅可以执行图形程序，而且可以执行通用计算程序（GPGPU）。利用OpenCL加速，GPU强大的并行处理能力和可编程流水线处理图形算法，在性能上大大超越了传统的CPU。目前基于OpenCL的OpenCV扩展库已经发布，可以在Google Code中下载。

i.MX6拥有强大的GPU运算能力，其3D引擎GC2000内部包含4个shader，可提供高达30GFLOPS的运算能力，支持 OpenCL 1.1 EP。此外，i.MX6Q还拥有一个专用的2D引擎（1Gpixel/s）和一个矢量图形处理引擎。飞思卡尔还提供完整的OpenCL SDK开发包。

此外，i.MX6的每一个Cortex-A9内核都配备了一个NEON加速单元，可以为SIMD（单指令多数据）处理提供额外的运算支持，用户可以非常轻松地在NEON上利用Ne10算法库进行算法加速，由于NEON的时钟和CPU同频，并且可以直接访问L1/L2缓存，因此其可以高效处理DSP运算任务。

i.MX6内部还集成了IPU（图像处理单元），可以提供丰富的显示输入/输出接口以及图像处理能力。其中摄像头输入接口包括20位的并口以及MIPI CSI-2串行接口，每个MIPI CSI-2都包含4个lane，接口速度达800 Mbps/lane。图像处理功能包括图像质量增强、色彩空间转换、分辨率转换、旋转、翻转等。

完善的安全性保护IP和运行安全

在机器视觉应用领域，客户最具价值的资产就是其软件算法，如何防止算法被窃取显得至关重要。在物联网时代，当机器视觉被应用在工厂生产线、安保领域或者是各类机器人上时，一旦其受到网络攻击、控制权被夺取，产生的后果将是灾难性的。这就要求机器视觉必须是部署在可靠的硬件执行环境中。

i.MX6提供非常完善的安全特性来保证用户的知识产权和设备运行可靠性。其中包括：

①可信执行环境：i.MX6内建TrustZone安全运行环境，可以将代码执行环境分割为一般执行和安全执行两个空间，其内部的硬件防火墙可以将CPU与外部总线访问、DMA以及外设访问隔绝。

②高可靠性启动（HAB）：客户可以对其软件进行加密保护，每次处理器启动的时候，HAB都会通过RSA公钥算法检查数字签名，防止未授权的软件执行。

③硬件加密引擎（CAAM）以及随机数生成器（RNG）：支持对称加密算法 AES-128，AES-256，3DES，ARC4，以及消息摘要算法（如 SHA-1、SHA-256、MD-5等）。

④安全存储区（Secure RAM）：i.MX6内部有16 KB安全RAM，可以存储敏感的代码以及数据，该RAM区带有自清除功能，在受到攻击时将自动清零。