簡介

在汽車最初誕生之時，它僅僅被視作將我們從一個地點(diǎn)快速運(yùn)送到另一地點(diǎn)的交通工具；但作為如此具有革命性意義的發(fā)明，它顛覆了人類了解世界的方式，理所當(dāng)然也將享受持續(xù)創(chuàng)新的加持。

智能化工具的搭載讓汽車愈加聰慧，先是以抱死和動力轉(zhuǎn)向為代表的駕駛員輔應(yīng)用，現(xiàn)有人工智能（AI）助力下自動駕駛汽車的崛起。追本溯源，自動駕駛汽車（Autonomous vehicles）須具備的一大關(guān)鍵屬性就是追蹤定位和運(yùn)動的能力。

90 年代出現(xiàn)的汽車 GPS 技術(shù)已沿用至今，運(yùn)動追蹤現(xiàn)已成為相對簡單的任務(wù)。但作為一項技術(shù)而言，它打開了通往多種定位和路線規(guī)劃應(yīng)用的大門。然而，我們也要承認(rèn) GPS 的局限性。它的精度只有數(shù)米，不適合需要追蹤小距離或微距離運(yùn)動的場景以及在高樓大廈林立的城市或山地等 GPS 衛(wèi)星不可用的環(huán)境，數(shù)據(jù)獲取的困難性也給 GPS 判了死刑。

隨著汽車變得更加自動化，并開始具備感知周圍環(huán)境的能力，對追蹤細(xì)微英寸=2.54 厘米）級，且無需衛(wèi)星互聯(lián)。SLAM 的本質(zhì)是將未知環(huán)境的地圖構(gòu)建轉(zhuǎn)化為計算問題，并同步追蹤物體在同一環(huán)境的即時定位（包括位置和方向）。SLAM 可以追蹤 6 個運(yùn)動的自由度（6DoF），包括 3 個位置度（上/下、前/后、左/右）和 3 個定向度（偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)），來確定你在環(huán)境中的位置（見圖 1）。

圖 1

SLAM 的用途非常廣泛。比如，在地圖構(gòu)建應(yīng)用中，SLAM 可以被用于識別你在所處環(huán)境的朝向，如果應(yīng)用判斷你在交叉路口朝向西北，它就可以告訴你接下來要右轉(zhuǎn)還是左轉(zhuǎn)。GPS 計算只知道你現(xiàn)在位于一個交叉路口，卻無法知道你的朝向。

即時定位與地圖構(gòu)建

SLAM 讓設(shè)備擁有了定位感知能力，嵌入式視覺應(yīng)用也因此取得了重大進(jìn)步。基于 SLAM，一輛汽車不僅能追蹤朝向或方向（定向），同時也可以感知它在所處環(huán)境內(nèi)部的運(yùn)動方式（位置、速度和高度）。

SLAM 運(yùn)算所需的數(shù)據(jù)通常只需由攝像頭傳感器獲取，這個過程被稱作視覺實時定位建模（VSLAM）。最近幾年，隨著更多可用傳感器的使用，SLAM 也隨之進(jìn)化，開始融合不同傳感器的數(shù)據(jù)。

SLAM 系統(tǒng)的工作原理是通過連續(xù)的影像幀和其它傳感器數(shù)據(jù)對一系列特征點(diǎn)進(jìn)行追蹤，對攝像頭的 3D 位置進(jìn)行三角化，并利用這些信息同步估測攝像頭（或其它傳感器）的定向。只要確保每一幀影像有足夠的可供追蹤的特征點(diǎn)，傳感器的定向和周圍物理環(huán)境的結(jié)構(gòu)就能被快速解讀。

舉個例子，汽車設(shè)計的過程中，SLAM 會調(diào)用單個或多個前向攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)和慣性測量單元（IMUs，提供加速計和陀螺儀數(shù)據(jù)，用于預(yù)估傳感器定向），判斷汽車在當(dāng)前環(huán)境的運(yùn)動模式。GPS 數(shù)據(jù)可用時，也將被用于驗證之前的位置預(yù)估是否準(zhǔn)確。

圖 2 展示了車身裝配的多種傳感器，包括攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)等。這些傳感器都可以作為 SLAM 的數(shù)據(jù)來源。

SLAM 應(yīng)用

SLAM 是駕駛員輔助系統(tǒng)和自動駕駛汽車上多種應(yīng)用的關(guān)鍵。包括且不限于：

車道保持輔助（和車道偏離預(yù)警）：除了追蹤車道標(biāo)識，SLAM 也可以確保汽車在同一車道內(nèi)駕駛，并在變道時保證安全。

導(dǎo)航：通過判斷周圍環(huán)境，并結(jié)合預(yù)先規(guī)劃的路徑和 GPS 數(shù)據(jù)，汽車可以利用 SLAM 自我導(dǎo)航至目的地。

前方碰撞預(yù)警（FCW）：聯(lián)合 SLAM、汽車當(dāng)前所處的道路或運(yùn)行軌跡將被用于更可靠的碰撞預(yù)警。

SLAM 的市場趨勢

如圖 3 所示，SLAM 相關(guān)應(yīng)用市場的規(guī)模預(yù)計將于 2024 年超過 20 億美元【1】。增長的主要推手是 SLAM 算法的演進(jìn)和在多個細(xì)分市場的增長。持續(xù)的技術(shù)開發(fā)和對 SLAM 優(yōu)勢意識度的上升是市場需求增加的主要動力。自動駕駛汽車和增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實等行業(yè)對這項技術(shù)不斷提高的興趣也促進(jìn)了 SLAM 在全球的采納和擴(kuò)張。

圖 3：SLAM 技術(shù)相關(guān)市場預(yù)計將于 2024 年超過 20 億美元

不止于此，SLAM 正在被用于室內(nèi)和戶外環(huán)境的導(dǎo)航應(yīng)用，進(jìn)一步推動這一技術(shù)在多個終端用戶行業(yè)的大規(guī)模采納。過去 5 年間，領(lǐng)先的科技公司顯著加大對 SLAM 的投資，并將其作為新產(chǎn)品開發(fā)和并購等業(yè)務(wù)擴(kuò)張戰(zhàn)略的一部分進(jìn)行考量。

SLAM 的實現(xiàn)條件

圖 4 展示了 SLAM 的一般性流程。

圖 4：SLAM 處理流程圖

圖中每個區(qū)塊的實現(xiàn)都是基于傳統(tǒng)的計算機(jī)視覺（Computer Vision）。不同之處在于，它們非常依賴多種不同的線性代數(shù)和矩陣運(yùn)算，承擔(dān)了繁重的計算任務(wù)，且可以實現(xiàn)于 CPU 或 GPU。

對一般性使用和原型設(shè)計來講，CPU 是很不錯的選擇，但它的性能和能力有限。首先，用于并行處理的單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD）通道數(shù)量較少；其次，功耗效率不高。這兩條導(dǎo)致 CPU 不是大規(guī)模應(yīng)用的最佳選擇，甚至在某些場景下，CPU 都無法滿足 SLAM 的實時性要求。

GPU 則在計算能力方面提升了一個臺階。它具有多種適合并行處理的模態(tài)，可協(xié)助實現(xiàn)高性能，并滿足即時性需求。但萬物皆有兩面性，GPU 是耗能巨獸，功耗巨大。而且，僅僅憑借這一條處理上的優(yōu)勢就想說服 SoC 供應(yīng)商在有限的布局規(guī)劃空間額外增加 GPU 所需組件也不太現(xiàn)實。

專屬 DSP 大展身手的時機(jī)終于到了。DSPs 具備高度可編程的特性，面積小，是多個細(xì)分市場大規(guī)模部署設(shè)備量產(chǎn)的理想選擇。

Tensilica Vision Q7 DSP

Cadence Tensilica Q7 DSP 是為了實現(xiàn) SLAM 在邊緣及其他設(shè)備的高性能而專門設(shè)計的。Vision Q7 DSP 已經(jīng)是 Tensilica 家族的第六代視覺與 AI DSPs 產(chǎn)品。Cadence 對它的指令集進(jìn)行了優(yōu)化，使其擁有更高的矩陣運(yùn)算、特征提取和卷積運(yùn)算性能，是迄今性能最高的視覺 DSP，并具備在邊緣設(shè)備運(yùn)行 SLAM 應(yīng)用所必須的高性能與低功耗間的完美平衡。

圖 5 展示了 Cadence Tensilica Q7 DSP 的架構(gòu)和關(guān)鍵特性。

圖 5：Tensilica Vision Q7 DSP 架構(gòu)

Tensilica Vision Q7 DSP 的高級特性如下：

● 512 MAC（8 位）處理

● 64 路 SIMD VLIW 處理器

● 1024bit 存儲接口

● 矢量浮點(diǎn)單元（vFPU）的性能是上一代 DSP 的 2 倍

● 擁有 4 通道的集成 3D DMA

● SLAM 性能加速選項可選

● 運(yùn)算速度最高可達(dá)每秒 2 萬億次運(yùn)算（TOPS）

此外，Vision Q7 DSP 的設(shè)計已通過 ISO 26262 認(rèn)證，是汽車應(yīng)用的絕佳平臺。下方是將與多種傳感器連接的 Vision Q7 DSP 用于 SLAM 運(yùn)算的典型架構(gòu)圖。

Vision Q7 DSP 也可以用于實現(xiàn)多種去中心化和分布式的系統(tǒng)。DSP 可被布置在靠近傳感器的位置，在到達(dá) CPU 之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，緩解對存儲器帶寬的需求，同時減少數(shù)據(jù)傳輸量。這一方法通常被用于汽車等復(fù)雜系統(tǒng)，以滿足新一代應(yīng)用的安全關(guān)鍵和高性能需求。

便捷的開發(fā)流程和配套工具

除了已經(jīng)獲得 Tensilica Xtensa Xplorer 開發(fā)環(huán)境的全面支持，Vision Q7 DSP 還可以充分利用已經(jīng)非常成熟且進(jìn)行了高度優(yōu)化的 Cadence Xtensa Imaging Library 圖像庫。受到 OpenCV（C++語言計算機(jī)視覺庫）的啟發(fā)，Cadence 將多種 OpenCV 函數(shù)進(jìn)行了移植，且沿用了類似的函數(shù)名稱和 API，讓 OpenCV 移植過來更加平滑、容易。

Vision Q7 DSP 也已經(jīng)獲得 Tensilica Neural Network compiler 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編譯器的支持。Tensilica 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編譯器將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖編譯成 Vision Q7 DSP 可執(zhí)行、高度優(yōu)化的高性能代碼，這些代碼充分利用了優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫中豐富的函數(shù)集。

性能比較

基于單攝像頭數(shù)據(jù)源，Cadence 在公司內(nèi)部做了 VSLAM 的實現(xiàn)測試，并獲得了 SLAM 流水線上不同區(qū)塊在 Vision Q7 DSP 和 Vision Q6 DSP（Q7 的前代產(chǎn)品）的相關(guān)數(shù)據(jù)（見圖 7）。

圖 7：Vision Q7 DSP 與 Vision Q6 DSP 的速度對比：在 SLAM 不同功能塊上均有 2 倍提升

對比 Vision Q6 DSP，Vision Q7 DSP 的測試結(jié)果在 SLAM 流程管線的不同功能塊均顯示了接近 2 倍的性能提升。優(yōu)化的指令集，更優(yōu)的封裝，以及數(shù)量更多的 MACs 讓攝像頭位置預(yù)估的精度更高，使用 Vision Q7 DSP 加速 SLAM 相關(guān)應(yīng)用的體驗也更好。除了性能提升，Vision Q7 DSP 占用的面積和 Vision Q6 DSP 完全一致，且能耗更低，是未來產(chǎn)品的理想選擇。

結(jié)論

本文中，我們介紹了 SLAM 概念，談及了將 Vision DSP 用于汽車應(yīng)用的設(shè)計實現(xiàn)方法。我們也比較了 Vision Q7 DSP 與其前代產(chǎn)品 Vision Q6 DSP 的差別，以及對 SLAM 不同模塊的性能提升。

本文也講述了如何用純粹的計算機(jī)視覺技術(shù)實現(xiàn) SLAM 的工作流程。就在最近，通過集成多種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）層來增強(qiáng)特征點(diǎn)匹配和特征提取也取得了一些進(jìn)展。Cadence Tensilica Q7 DSP 支持最新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算所需的各種 layer，讓同一 DSP 上融合視覺和 AI 成為可能。

總而言之，視覺處理和 AI 的完美牽手是將新一代 SLAM 相關(guān)應(yīng)用推向汽車市場的關(guān)鍵。

原文標(biāo)題：即時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）和自動駕駛汽車：DSP 的設(shè)計實現(xiàn)之旅

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