機器視覺應(yīng)用中圖像處理平臺的三個最常見的選擇是中央處理器（CPU），圖形處理器（GPU）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。

          CPU是傳統(tǒng)臺式計算機和筆記本電腦的心臟。在手機或平板電腦中，消耗較少功率的ARM處理器可提供CPU功能。CPU具有更大的指令集和大量的本地計算機語言庫，例如C，C ++，Java，C＃和Python。其中一些語言具有可將功能轉(zhuǎn)移到GPU并在GPU上運行的軟件包。

        傳統(tǒng)上，GPU已用于在PC上的視頻游戲中渲染像素（即圖形）。便攜式計算機通常還具有GPU。GPU越好，圖形質(zhì)量越好，幀速率越高。對于圖像處理應(yīng)用，GPU執(zhí)行相同的功能，但相反。

       在機器視覺中，不是從視頻游戲中的條件開始，而是嘗試將其渲染到具有數(shù)百萬個像素的屏幕上，而是處理數(shù)百萬個像素以幫助軟件解釋和理解圖像。由于它們具有由許多并行內(nèi)核和優(yōu)化的像素數(shù)學組成的架構(gòu)，因此GPU非常有效地處理圖像和繪制圖形。

      FPGA的可編程電路運行下載到卡上的自定義程序，以將其配置為以比CPU或GPU功耗更低的低級邏輯來完成所需的任務(wù)。FPGA還不需要操作系統(tǒng)的開銷。

     機器視覺系統(tǒng)的開發(fā)人員和集成人員可以在開發(fā)系統(tǒng)的其余部分之前，嘗試決定使用哪些平臺。首先對系統(tǒng)進行原型設(shè)計通?？梢源_定平臺的選擇。如果特定應(yīng)用程序的數(shù)學運算無法在一個平臺上運行，則可能無法在任何平臺上運行。

      設(shè)置系統(tǒng)的物理特性（鏡頭，照明燈，照相機等），收集圖像選擇并在任何舒適的環(huán)境中測試數(shù)學都可以為平臺選擇提供依據(jù)。例如，某些智能相機包括板載FPGA，以對相機進行編程以進行不同的測試。如果原型可以使用智能相機按預(yù)期運行，則FPGA可能是該應(yīng)用程序的正確平臺，并且可能不需要考慮CPU或GPU。

平臺標準

         選擇特定平臺的第一個也是最重要的標準是速度。原型應(yīng)用程序一旦在測試臺上工作，就必須確定該應(yīng)用程序每秒需要處理多少部分，或者必須處理實時視頻每秒要處理多少幀。通常，對于實時視頻，約30 fps會創(chuàng)建逼真的圖像。

        另外還必須考慮速度的其他方面，例如延遲。系統(tǒng)可能能夠在10毫秒內(nèi)處理一幀，但需要200毫秒才能從相機上取下該幀，GigE Vision驅(qū)動程序需要100毫秒來接收該幀并將其提供給應(yīng)用程序，另外需要10毫秒來處理該幀。 。在零件檢查應(yīng)用程序中，可能是在框架到達應(yīng)用程序時，相關(guān)零件已經(jīng)移動。

   一個假想的系統(tǒng)可能必須開始排隊零件圖像，以跟上零件在生產(chǎn)線上的移動速度。將需要具有確定性時序的可編程邏輯控制器（PLC）來跟蹤生成排隊圖像的零件的位置，以便如果零件未通過機器視覺系統(tǒng)檢查，則可以將其從生產(chǎn)線中拉出。還必須考慮啟動延遲。并非所有的應(yīng)用程序都可以在工廠車間連續(xù)運行，或者在生產(chǎn)線開始運行前讓其啟動幾分鐘。諸如戶外和消費市場系統(tǒng)之類的某些應(yīng)用（例如自動駕駛汽車中的系統(tǒng)）可能需要加電并準備在幾毫秒內(nèi)運行。具有多層軟件的機器視覺系統(tǒng)（例如具有操作系統(tǒng)的CPU）可能難以滿足較短的啟動時間要求。

         以原型速度制作時，可以通過拍攝高分辨率秒表來進行測試?？梢詫秩镜狡聊簧系膸c秒表上顯示的時間進行比較，從而可以輕松量化等待時間并確定系統(tǒng)可能需要更改或改進的方式。

         考慮系統(tǒng)所需的功率對于某些應(yīng)用程序至關(guān)重要，而對于其他應(yīng)用程序則不那么重要。對于在移動設(shè)備或無人機等電池供電的硬件上運行的應(yīng)用程序，可能不適合使用CPU或傳統(tǒng)GPU，因為這些平臺可能會耗電。但是，像NVIDIA的Jetson這樣的移動GPU提供了低功耗選項?；?/span>Raspberry Pi的片上系統(tǒng)（SoC）平臺還將比CPU具有更低的功耗要求。

          還應(yīng)該考慮電源的可靠性，尤其是對于基于無人機的戶外或移動應(yīng)用，要求平臺具有足夠的魯棒性以應(yīng)對反復的電源中斷，機器視覺公眾號。

        需要考慮平臺的熱量和所需空間。為工廠車間構(gòu)建的應(yīng)用程序通常有一個面板空間，該面板可以容納所有電子設(shè)備以及一個風扇，以幫助冷卻系統(tǒng)。在多塵的環(huán)境或設(shè)備必須防水的情況下，需要適當?shù)姆雷o等級（分別為IP65 / IP67），還可能需要密封的面板，這些面板可能會迅速升溫。在這些條件下，需要更大的面板和無風扇組件。必須裝入面板的物品越多，它們產(chǎn)生的熱量就越大，系統(tǒng)可能引起的問題也就越多，并且價格可能會更高。

        在幾乎所有情況下，所選平臺都需要與其他設(shè)備通信，這是機器視覺應(yīng)用程序的關(guān)鍵方面，直到設(shè)計過程結(jié)束才可能被考慮。以必須傳輸數(shù)據(jù)以進行打印的應(yīng)用程序為例?？赡車栏褚?/span>CPU與打印機通信。

        數(shù)據(jù)存儲和檢索要求也可能會影響平臺選擇。CPU提供了將信息寫入硬盤的功能。在GPU和FPGA上處理內(nèi)存和持久性存儲可能會更加困難。在某些情況下，可能需要CPU來擴充GPU或FPGA，以嚴格處理與數(shù)據(jù)相關(guān)的問題。智能相機和緊湊的嵌入式視覺系統(tǒng)可以是包括CPU，GPU，FPGA和數(shù)字處理器（DSP）的平臺的組合。

        還必須考慮系統(tǒng)依賴性和將來的證明。硬件可靠性和潛在的更換時間表應(yīng)予估計。硬件和軟件可以購買多長時間？如果所需的處理能力發(fā)生變化，系統(tǒng)是否允許按比例放大或縮??？所選組件將提供多長時間的技術(shù)支持？是否有足夠的人具備操作組件的必要技能？將來尋找人員來運行系統(tǒng)是否會引起長期關(guān)注？

        應(yīng)該考慮所選組件的發(fā)展以及它們將來是否會滿足系統(tǒng)要求。如果一系列FPGA或GPU背后的工程師以解決機器視覺系統(tǒng)將要遇到的特定挑戰(zhàn)的心態(tài)開發(fā)下一代硬件，那么這可能意味著贊成在應(yīng)用中采用這些FPGA或GPU。如果硬件供應(yīng)商試圖針對其他問題進行工程設(shè)計，而忽略了特定應(yīng)用程序的需求，則可能會打擊使用該供應(yīng)商的硬件產(chǎn)品線。

         考慮定制代碼開發(fā)的要求以創(chuàng)建變通辦法，有助于將來驗證系統(tǒng)。機器視覺應(yīng)用程序需要的自定義代碼越多，系統(tǒng)開發(fā)漏洞的潛力就越大，這是不利的一面。但是，如果您需要長期使最終用戶使用該應(yīng)用程序，則還需要自定義和擴展功能。如果用于特定平臺的供應(yīng)商工具提供了很少甚至沒有定制代碼的解決方案，但是如果需要的話，可以添加定制代碼，這可能就是采用該平臺的原因。

          用戶界面要求經(jīng)常被視為平臺選擇的標準。大多數(shù)系統(tǒng)最終不得不與人進行某種程度的交流。像素處理可以100％正確，但是如果系統(tǒng)無法與任何人交流信息，則系統(tǒng)可能不適合執(zhí)行任務(wù)。CPU是開發(fā)用戶界面的最佳工具。基于GPU，FPGA或CPU / GPU組合的系統(tǒng)可以不使用用戶界面進行設(shè)計，而是通過網(wǎng)頁提供摘要信息以監(jiān)控結(jié)果。

       對于任何機器視覺任務(wù)，都沒有唯一正確的答案。但是，三個不同的機器視覺系統(tǒng)的樣本演示了如何考慮平臺標準來推動這些系統(tǒng)的設(shè)計。

焊接查看器

        Artemis Vision與Melt Tools簽訂合同，主要設(shè)計用于教室的焊接觀察器。焊接涉及視野中間非常明亮的光線和黑暗的環(huán)境/背景，需要高動態(tài)范圍（HDR）成像才能同時顯示焊接位置的背景和細節(jié)。

  該應(yīng)用程序需要在不同的曝光時間進行多次曝光，然后將圖像拼接在一起，以渲染顯示不同光照水平的單個幀。要產(chǎn)生流暢的視頻，需要30 fps的輸出。該系統(tǒng)最初是在Intel i7 CPU上原型設(shè)計的。每個輸入幀需要30到35毫秒來處理，這意味著每60到70毫秒輸出一個組合的，已處理的幀。速度太慢，無法支持30 fps的輸出速率，每幀需要30到35 ms，因此CPU對于該應(yīng)用程序不是一個可行的平臺。

  考慮將算法轉(zhuǎn)移到FPGA上，然后考慮轉(zhuǎn)移到多核服務(wù)器并并行化算法。客戶想要一個適合教室使用的系統(tǒng)，但是，該系統(tǒng)需要使用工程教室中已經(jīng)存在的硬件進行構(gòu)造。

       教室中的計算機具有相當強大的GPU，可為工程軟件渲染圖像。將HDR算法放到GPU上的選項最有意義。

       該算法是在CUDA中實現(xiàn)的，是一款中游NVIDIA圖形卡。GPU在5到6毫秒內(nèi)處理了一個幀，并在另外5到6毫秒內(nèi)將幀復制到了GPU內(nèi)存中。除了攝像頭本身以外，不需要其他硬件即可創(chuàng)建焊接查看器。

3D激光輪廓儀

       3D激光輪廓儀需要快速處理才能支持高線速度。對于垂直于行進軸的視場中的1000個像素，最佳系統(tǒng)將捕獲正方形輪廓。在1000毫米的視野和1000毫米的行程范圍內(nèi)，該系統(tǒng)應(yīng)能夠處理1000幀以獲得1毫米/像素的分辨率，通常每秒可計算出數(shù)百赫茲或幀。

       需要快速啟動時間，以使3D Profiler能夠充分捕獲和處理運動中的零件的圖像。確定性時序可避免使用編碼器和排隊部件，從而使系統(tǒng)更易于組裝和調(diào)試。

         直接將GPU內(nèi)存進出的能力給將GPU與3D激光輪廓分析應(yīng)用程序結(jié)合使用提出了挑戰(zhàn)。設(shè)計為PC組件的GPU不需要操作系統(tǒng)，但最容易通過該CPU的OS使用。因此，FPGA通常被視為3D激光線輪廓儀的平臺。FPGA提供速度，確定性時序，快速啟動時間和可靠性。

尺寸標注系統(tǒng)

   使用片狀材料的客戶希望采用各種尺寸的板。需要兩秒鐘的測量時間。生產(chǎn)線以每分鐘120英尺的速度運行。電路板的尺寸從4 x 4英尺到4 x 8英尺，并且該系統(tǒng)需要檢測拐角和邊緣上的芯片。 

   需要一個操作員界面，以便可以更改板的類型，并且與任何工業(yè)系統(tǒng)一樣，如果系統(tǒng)運行不正常，則需要一個用戶界面來提供錯誤消息。

         該系統(tǒng)首先由運行速度太慢的CPU構(gòu)建。評估電路板尺寸并計算拐角和邊緣是否完整，大約需要5000毫秒。邊角算法花費了大量時間。

        通過指定感興趣區(qū)域（ROI）減少需要處理的像素數(shù)量可以提高應(yīng)用程序的速度。實施了一個系統(tǒng)來裁剪有限的邊緣和角落的ROI。由于使用了裁剪緊密的區(qū)域來驗證邊緣和角落，因此計算時間減少到800到1200毫秒。對算法的更改使將應(yīng)用程序保留在基于CPU的平臺上成為可能。

結(jié)論

   不存在適用于機器視覺應(yīng)用的千篇一律的平臺。許多變量會影響應(yīng)該選擇CPU，GPU還是FPGA或這三者的某種組合。智能相機可以使用CPU，DSP或CPU和FPGA的組合。在單個平臺中可能存在有關(guān)功耗和處理速度的多種選擇，最佳性能決定了正確的解決方案。（湯姆·布倫南）

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