动态可重构技术开始应用于数码相机

2011-09-05 09:48:24来源: 技术在线

  

采用动态可重构技术的产品示例。迄今已被富士施乐一体机及索尼广播电视专业设备等采用。而且,新的采用案例有富士胶片数码相机“F550EXR”,以及卡西欧计算机数码相机“EX-TR100”等。

  动态可重构(Dynamic Reconfigurable)技术的应用范围不断扩大。除了商用一体机及数码相机等高价位电子产品外,应用范围还扩展到了实际售价为1万日元左右的数码相机产品。

  动态可重构技术在拥有与专用逻辑电路(硬连线电路,Hard-Wired Circuit)相当的处理性能的同时,还能够像软件一样灵活改变电路构成。以前采用范围以办公一体机及广播电视专业摄像机等百万日元以上的高价位电子产品为中心,而最近终于开始向数万日元的低价位消费类电子产品全面普及注1)。近一年来,有多家数码相机厂商表示已在自己的产品上采用了动态可重构技术。其中也含有实售价格为1万日元左右的产品。

  注1)以前在低价消费类电子产品领域,只有索尼在便携音乐播放器及游戏机上采用了自主开发的有关技术。

  在这些厂商中率先采用的是卡西欧计算机。该公司在2010年11月上市的“HIGH SPEED EXILIM”系列数码相机机型“EX-ZR10”上,配备了采用动态可重构技术的图像处理LSI“EXILIM引擎HS”。包括该机型在内,卡西欧计算机已在“EX-ZR100”、“EXH20G”及“EX-TR100”合计四款机型上采用了动态可重构技术(图1、图2)。


图1:采用动态可重构技术的数码相机
卡西欧计算机和富士胶片分别宣布已在自己的数码相机产品上采用了动态可重构技术。卡西欧计算机在“EXILIM引擎HS”上、富士胶片在“EXR处理器”上采用了该技术。

 
图2:图像处理LSI的内部构成
图中列出了卡西欧计算机及富士胶片分别公开的图像处理LSI的内部构成(a、b)。相似点是都具备两个CPU内核。

  在卡西欧计算机发布相关产品4个月后,2011年2月富士胶片也展开了行动。富士胶片发布的“FinePix”系列数码相机中,有“F550EXR”、“HS20 EXR”及“X100”三款机型配备了采用该技术的图像处理LSI“EXR处理器”。

通过微细化使成本达到可以接受的水平

  众多数码相机厂商接连采用动态可重构技术的原因主要有两点。

  第一是微细化的发展使该技术的最大瓶颈即电路规模的尺寸达到了可以接受的程度。消费类电子产品中使用的ASIC也开始越来越多地采用45nm工艺以后的制造技术,因此在数码相机等低价消费类电子产品中采用该技术的巨大电路时,成本也已变得合算。

  动态可重构技术一般采用呈阵列状排列大量(数十~1000个)8~32bit运算器(ALU)的架构。因此,处理性能远远高于运算器数量最多限制在10个左右的DSP等。但另一方面却存在电路面积非常大,芯片单价往往也很高的问题。而且,为了能够灵活改变电路构成,还需要在运算器之间设置开关,并使布线具有冗余性,因此与同样采用大量运算器的硬连线电路相比,电路面积也往往较大。

  动态可重构技术从10年前亮相之初起就一直被公认“其高成本是采用于实际产品时的瓶颈”,实际上以前多半是在商用电子产品上采用的。然而,随着时间的推移,半导体制造技术的微细化得到顺利推进,由此,动态可重构技术终于能够在1万日元左右的消费类电子产品上使用了注2)。

  注2)FPGA与动态可重构技术一样,随着微细化的发展开始越来越多地采用于消费类电子产品。但是,与将8~32bit运算器作为构件的动态可重构技术相比,FPGA的构件由进行单纯逻辑运算的LUT(Look-up Table)构成,构成阵列的构件的粒度较细。因此,实施媒体处理等操作的话,动态可重构技术的面积效率一般高于FPGA。

三项可编程性

  动态可重构技术开始在数码相机中配备的另一原因在于,图像处理LSI必须要在多种情况下具备出色的可编程性,也就是说必须要具备像软件那样的“灵活性”。具体体现在①电子产品的开发时、②供货后使用电子产品时,以及③开发新一代机型时。

  其中尤其重要的是②使用电子产品时的可编程性。要想作为厂商保持独创性,大量配备与其他公司相比容易形成卖点的功能的话,凭借硬连线电路及DSP等动态可重构技术以外的方法是很难实现的。

  比如,卡西欧计算机在该公司配备动态可重构技术的首款机型EX-ZR10中导入了称为“HDR(High Dynamicrange)艺术”及“多帧超分辨率”的独创功能。两种功能均使用于高速连拍的图像,前者通过合成多张图像来生成动态范围大的图像,并在此基础上由LSI对图像内进行分析,局部调整色彩饱和度和对比度,输出绘画风格的图像(图3)。而后者则利用多帧图像来提高分辨率。

 
图3:复杂化的数码相机图像处理
数码相机的图像处理正在向多功能化及复杂化发展,比如重叠高速拍摄的多张图像,制作出HDR图像或形成绘画风格。照片中的是卡西欧“EXZR100”利用“HDR艺术”功能的输出示例。

  富士胶片也导入了独创功能,比如识别摄影场景后从多达49种模式的画质设定中选择最佳设定的“PREMIUM EXRAUTO”,以及通过经由图像处理来寻找对焦点的对比度AF来设定多达49个测距点。估计为实现这些功能采用了动态可重构技术。

易于导入具有挑战性的功能

  要想在摄影时对超千万像素的图像基本同步实施计算量如此大的复杂处理,凭借DSP及以往的SIMD型处理器处理性能会不足。实现手段仅限于像硬连线电路或动态可重构技术那样,能够使用大量运算器组成长管线,或者能够对大量像素实施并行处理的方法。

  不过,从硬连线电路来看,要想导入比如A~C三种功能时,一般需要单独准备3种电路,芯片面积往往会变为3倍。假如A~C功能中含有成为电子产品卖点但实际使用频率又很低的利基功能的话,由此占用的大量芯片面积就会使成本效率变差。

  而动态可重构技术具备②中所述的使用电子产品时的可编程性,能够在运行中动态改变电路构成。因此,即便是使用频率再低的利基功能,只要在营销及销售观点上断定其具有效果,也可不受芯片面积增加的不利影响,轻松导入。其原因是,采用动态可重构技术的话,只要是在固定的运算器阵列内实施处理,无论想要追加多少种功能,电路面积都不会成倍增加(图4)。不运行的电路不会“耗费”芯片面积,平时隐藏在后台的存储器中注3)。

 
图4:动态可重构技术的特点以及与其他技术间的比较
在对电子产品进行设计时、供货后以及开发新一代机型时等多种阶段,动态可重构技术发挥优点的情况日趋增加。

  注3)这一特性被比作虚拟存储器,称为“虚拟电路”。虚拟电路在切换多种处理时也很有效,但即便是一种处理,与规模超出运算器阵列的电路相比,也同样具有能够以适当级数折叠管线,以分时方式安装的优点。富士施乐在一体机上就采用了这种方法。

  虽然动态可重构技术还要看其架构如何,但在安装大约3种以上具有某种复杂程度的功能时,在芯片面积这一点上,还是比硬连线电路更为有利。无论卡西欧计算机还是富士胶片,都未公布采用动态可重构技术具体安装了多少种功能等细节,但可以推测的是,采用动态可重构技术时上述判断起到了一定作用。

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关键字:动态  重构  技术  开始

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/szds/2011/0905/article_3099.html
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