為什么以及如何將 Efinix FPGA 用于 AI/ML 成像第 2 部分：圖像采集和處理

作者：Adam Taylor

編者按：全新的 FPGA 架構(gòu)方法帶來(lái)了更精細(xì)的控制和更大的靈活性，以滿足機(jī)器學(xué)習(xí) （ML） 和人工智能 （AI） 的需求。本系列文章包括兩部分，第 1部分介紹了 Efinix 一款此類架構(gòu)的產(chǎn)品，以及如何借助開發(fā)板開始使用該產(chǎn)品。本文是第 2 部分，討論了開發(fā)板與外部器件和外設(shè)（如攝像頭）的連接，以及如何利用
FPGA 消除圖像處理的瓶頸。

從工業(yè)控制和安全到機(jī)器人、航空航天和汽車，F(xiàn)PGA 在許多應(yīng)用中扮演著重要角色。憑借可編程邏輯內(nèi)核的靈活性及其廣泛的接口能力，F(xiàn)PGA 在可以部署機(jī)器學(xué)習(xí)（ML） 的影像處理中的應(yīng)用日漸廣泛。由于其并行邏輯結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA 非常適合用來(lái)實(shí)現(xiàn)具有多個(gè)高速攝像頭接口的解決方案。此外，F(xiàn)PGA還能在邏輯中使用專門的處理管道，從而消除與基于 CPU 或 GPU 的解決方案相關(guān)的共享資源瓶頸。

本文將再次介紹 Efinix 的 Titanium FPGA，并探討該 FPGA 的 Ti180 M484開發(fā)板附帶的參考圖像處理應(yīng)用。其目的是了解設(shè)計(jì)的構(gòu)成部分，并明確 FPGA 技術(shù)能夠消除哪些方面的瓶頸或?yàn)殚_發(fā)人員帶來(lái)其他好處。

基于 Ti180 M484 的參考設(shè)計(jì)

從概念上看，該參考設(shè)計(jì)（圖 1）接收來(lái)自幾個(gè)移動(dòng)行業(yè)處理器接口 （MIPI） 攝像頭的圖像，在 LPDDR4x
中執(zhí)行幀緩沖，然后將圖像輸出到高清多媒體接口 （HDMI） 顯示器。利用一個(gè) FPGA 夾層卡 （FMC） 和開發(fā)板上的四個(gè) Samtec QSE接口提供攝像頭輸入和 HDMI 輸出。

FMC 轉(zhuǎn) QSE 擴(kuò)展卡與 HDMI 子卡配合使用，提供輸出視頻路徑，而 3 個(gè) QSE 連接器用于與 DFRobot SEN0494 MIPI攝像頭連接。如果沒(méi)有多個(gè) MIPI 攝像頭，可以使用單個(gè)攝像頭，通過(guò)回環(huán)單個(gè)攝像頭通道來(lái)模擬其他攝像頭。

從高層次看，這種應(yīng)用可能看起來(lái)很簡(jiǎn)單。但是要以高幀率接收多個(gè)高清 （HD） MIPI 流頗具挑戰(zhàn)性。這恰好是 FPGA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在，因?yàn)樗试S設(shè)計(jì)人員并行利用多個(gè) MIPI 流。

該參考設(shè)計(jì)的架構(gòu)利用了 FPGA 的并行和順序處理結(jié)構(gòu)。并行結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)圖像處理管道，而 RISC-V 處理器提供用于 FPGA 查詢表 （LUT）的順序處理。

在許多基于 FPGA的圖像處理系統(tǒng)中，圖像處理管道可以分成兩個(gè)部分，即輸入和輸出流。輸入流連接到攝像頭/傳感器接口，各種處理功能則應(yīng)用至傳感器輸出。這些處理功能包括 Bayer轉(zhuǎn)換、自動(dòng)白平衡和其他增強(qiáng)功能。在輸出流中，準(zhǔn)備圖像用于顯示。這包括改變顏色空間（例如從 RGB 更改為 YUV），以及后處理為所需的輸出格式，如HDMI。

通常，輸入圖像處理鏈以傳感器的像素時(shí)鐘頻率運(yùn)行。這與輸出鏈的時(shí)序不同，輸出鏈以輸出顯示頻率進(jìn)行處理。

幀緩沖區(qū)用于連接輸入和輸出處理管道，它通常存儲(chǔ)在 LPDDR4x等外部高性能存儲(chǔ)器中。該幀緩沖區(qū)在輸入和輸出管道之間去耦，從而允許以適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘頻率通過(guò)直接內(nèi)存訪問(wèn)來(lái)訪問(wèn)幀緩沖區(qū)。

Ti180 參考設(shè)計(jì)采用了與上述概念類似的方法。輸入圖像處理管道實(shí)現(xiàn)了一個(gè) MIPI 攝像頭串行接口 2 （CSI-2） 接收器知識(shí)產(chǎn)權(quán) （IP）內(nèi)核，該內(nèi)核建立在支持 MIPI 物理層 （MIPI D-PHY） 的 Titanium FPGA 輸入/輸出 （I/O） 之上。MIPI接口頗為復(fù)雜，因?yàn)槌说退俸透咚?a target="_blank">通信，它還在同一差分對(duì)上同時(shí)使用單端和差分信號(hào)。將 MIPI D-PHY 集成到 FPGA I/O中，降低了電路板設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)還可簡(jiǎn)化物料清單 （BOM）。

收到攝像頭的圖像流后，參考設(shè)計(jì)會(huì)將 MIPI CSI-2 RX 的輸出轉(zhuǎn)換為高級(jí)可擴(kuò)展接口 （AXI） 流。AXI
流屬于單向高速接口，提供從主設(shè)備到從設(shè)備的數(shù)據(jù)流。除了在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸?shù)奈帐中盘?hào)（tvalid 和tready），還提供了邊帶信號(hào)。這些邊帶信號(hào)可用于傳遞圖像時(shí)序信息，如幀的開始和行的結(jié)束。

AXI 流是圖像處理應(yīng)用的理想選擇，使 Efinix 能夠提供一系列的圖像處理 IP，然后可以根據(jù)應(yīng)用的需要輕松集成到處理鏈中。

接收后，MIPI CSI-2 圖像數(shù)據(jù)和時(shí)序信號(hào)被轉(zhuǎn)換為 AXI 流，并輸入到直接內(nèi)存訪問(wèn) （DMA） 模塊，該模塊將圖像幀寫入 LPDDR4x并充當(dāng)幀緩沖區(qū)。

此 DMA 模塊在 Sapphire 片上系統(tǒng) （SoC） 內(nèi) FPGA 中的 RISC-V 內(nèi)核控制下運(yùn)行。該 SoC 提供停止和開始 DMA寫入等控制功能，此外還為 DMA 寫入通道提供必要的信息，以便將圖像數(shù)據(jù)正確寫入
LPDDR4x。這包括有關(guān)存儲(chǔ)器位置的信息以及圖像寬度和高度（以字節(jié)為單位）。

該參考設(shè)計(jì)中的輸出通道在 RISC-V SoC 的控制下從 LPDDR4x 幀緩沖區(qū)讀取圖像信息。數(shù)據(jù)作為 AXI 流從 DMA IP輸出，然后從傳感器提供的 RAW 格式轉(zhuǎn)換為 RGB 格式（圖 2），并準(zhǔn)備通過(guò)板載 Analog Devices 的 ADV7511 HDMI發(fā)射器輸出。

借助 DMA，Sapphire SoC RISC-V 也能夠訪問(wèn)存儲(chǔ)于幀緩沖區(qū)中的圖像，以及統(tǒng)計(jì)和圖像信息摘要。Sapphire SoC 還能將覆蓋層寫入LPDDR4x 中，以便與輸出的視頻流合并。

現(xiàn)代 CMOS 圖像傳感器 （CIS） 有幾種工作模式，可配置為提供片上處理，以及幾種不同的輸出格式和時(shí)鐘方案。通常通過(guò) I2C 接口提供這種配置。在該Efinix 參考設(shè)計(jì)中，與 MIPI 攝像頭的 I2C 通信由 Sapphire SoC RISC-V 處理器提供。

在 Titanium FPGA 中集成 RISC-V 處理器減少了最終解決方案的整體尺寸，因?yàn)椴恍枰渴饡?huì)增加設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜 FPGA狀態(tài)機(jī)，也不需要會(huì)增加 BOM 的外部處理器。

集成該處理器后，還可以支持額外的 IP 與 MicroSD 卡進(jìn)行通信。這能夠支持可能需要存儲(chǔ)圖像以供日后分析的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

總的來(lái)說(shuō)，Ti180 參考設(shè)計(jì)的架構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)緊湊、低成本但高性能的解決方案，使開發(fā)人員能夠通過(guò)系統(tǒng)集成降低 BOM 成本。

參考設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可用于在定制硬件上啟動(dòng)應(yīng)用開發(fā)，使開發(fā)人員能夠利用設(shè)計(jì)的關(guān)鍵元素，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行所需的定制。這包括能夠利用 Efinix 的TinyML 流程來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行于 FPGA 上的視覺(jué) TinyML 應(yīng)用。這既可利用 FPGA 邏輯的并行特性，又可輕松地將自定義指令添加至 RISC-V處理器中，從而能夠在 FPGA 邏輯內(nèi)創(chuàng)建加速器。

實(shí)現(xiàn)

正如第 1 部分所述，Efinix 架構(gòu)的獨(dú)特之處在于，它使用可交換邏輯和路由 （XLR）單元來(lái)提供路由和邏輯功能。像上述參考設(shè)計(jì)這樣的視頻系統(tǒng)屬于邏輯和路由都很復(fù)雜的混合系統(tǒng)：需要大量的邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像處理功能，還需要廣泛的路由來(lái)以所需的頻率連接IP 單元。

該參考設(shè)計(jì)使用了器件內(nèi)約 42% 的 XLR 單元，留下了充足的空間來(lái)添加內(nèi)容，包括邊緣 ML 等定制應(yīng)用。

塊 RAM 和數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） 塊的使用也非常高效，只使用了 640 個(gè) DSP 塊中的 4 個(gè)和 40% 的存儲(chǔ)塊（圖 3）。

在器件 IO 上，LPDDR4x 的 DDR 接口用于為 Sapphire SoC 提供應(yīng)用存儲(chǔ)器以及提供圖像幀緩沖區(qū)。所有器件專用的 MIPI 資源與50% 的鎖相環(huán)一起使用（圖 4）。

通用 I/O （GPIO） 用于提供 I2C 通信以及幾個(gè)連接到 Sapphire SoC 的接口，包括 NOR FLASH、USB UART 和 SD卡。HSIO 用于向 ADC7511 HDMI 發(fā)射器提供高速視頻輸出。

采用 FPGA 進(jìn)行設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素是，不僅要在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)和擬合設(shè)計(jì)，還要能夠在 FPGA內(nèi)放置邏輯設(shè)計(jì)，并在路由時(shí)達(dá)到所需的時(shí)序性能。

單時(shí)鐘域 FPGA 設(shè)計(jì)的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了。在 Ti180參考設(shè)計(jì)中，有幾個(gè)不同的時(shí)鐘，都以高頻率運(yùn)行。最終時(shí)序表顯示了系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘達(dá)到的最大頻率。在此表中也可以看到時(shí)鐘約束中要求的時(shí)序性能（圖 5），其中 HDMI輸出時(shí)鐘的最大時(shí)鐘頻率為 148.5 MHz。

針對(duì)時(shí)鐘約束的時(shí)序?qū)崿F(xiàn)顯示了 Titanium FPGA XLR 結(jié)構(gòu)的潛力，因?yàn)樗鼫p少了可能的路由延遲，從而提高了設(shè)計(jì)性能（圖 6）。

總結(jié)

Ti180 M484 參考設(shè)計(jì)清楚地展示了 Efinix FPGA 的能力，尤其是 Ti180。該設(shè)計(jì)利用幾個(gè)獨(dú)特的 I/O
結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖像處理路徑，支持多個(gè)傳入的 MIPI 流。此圖像處理系統(tǒng)在軟核 Sapphire SoC的控制下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了該應(yīng)用必需的順序處理元素。