【導(dǎo)讀】按理說(shuō)‘高大上’的FPGA，多出現(xiàn)在航天航空（如火星探測(cè)器）、通信（如基站、數(shù)據(jù)中心）、測(cè)試測(cè)量等高端應(yīng)用場(chǎng)景。但麥迪卻也發(fā)現(xiàn)，近期，在很多創(chuàng)客的作品內(nèi)部都有FPGA的影子。這或許也從側(cè)面看出，打從總理先生的“雙創(chuàng)”態(tài)度以來(lái)，開(kāi)發(fā)者們踴躍的態(tài)度，創(chuàng)客們的智能硬件作品已經(jīng)不再是小打小鬧，更多的向尖端技術(shù)靠攏，也更貼近產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
但畢竟，F(xiàn)PGA在開(kāi)發(fā)者心目中有著‘開(kāi)發(fā)入門(mén)難’、‘貴’等等初印象，對(duì)于FPGA在創(chuàng)客作品中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，麥迪想從兩個(gè)角度和大家探討：“何時(shí)考慮在自己的設(shè)計(jì)中應(yīng)用FPGA？”、“如何能用好FPGA？”
別看這兩個(gè)問(wèn)題簡(jiǎn)單，要想在天馬行空的創(chuàng)客作品中形成具體的答案卻也是極為不易的。所以麥迪也特別邀請(qǐng)到了賽靈思（賽靈思公司是FPGA的發(fā)明者,）全球高級(jí)副總裁湯立人先生陪著我們一起尋找答案。這位華裔高級(jí)副總裁是技術(shù)出身，在賽靈思工作了20余年，身懷好幾個(gè)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠?，所以他的?jiàn)解絕對(duì)有權(quán)威性。當(dāng)然這位高級(jí)副總裁也沒(méi)空手來(lái)，還帶來(lái)了十幾款在創(chuàng)客活動(dòng)上被圍觀的FPGA基因的作品，希望借由實(shí)例多給大家些許啟發(fā)。
關(guān)注1：何時(shí)考慮在自己的設(shè)計(jì)中應(yīng)用FPGA？
對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，湯立人先生認(rèn)為：首先FPGA在算法處理、計(jì)算性能和功耗方面有軟件和其它硬件不具備的能力。目前看來(lái)FPGA或者說(shuō)賽靈思當(dāng)前所側(cè)重的全可編程（All Programmable）器件，在最前沿技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用集中在以下幾類：數(shù)據(jù)融合和圖像處理；控制和分析一體化人機(jī)界面；加密/安全/實(shí)時(shí)控制；從傳感器/機(jī)器到互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫連接等方面。通俗來(lái)說(shuō)可以應(yīng)用在可視化、智能分析、感知和反應(yīng)等過(guò)程中。
應(yīng)用場(chǎng)景則主要集中在：視頻/視覺(jué)（8K顯示；無(wú)人機(jī)；沉浸式顯示）；ADAS（環(huán)視系統(tǒng)；自主泊車；半自動(dòng)化駕駛）；5G無(wú)線（海量MIMO；云RAN）；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（智能電網(wǎng)；電機(jī)控制；M2M）等方面。
“就ADAS為例，”湯立人先生解釋道：“目前全球范圍內(nèi)參與ADAS或無(wú)人駕駛的項(xiàng)目中，大多都采用了全可編程FPGA進(jìn)行攝像頭前端的視頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和控制。目前看來(lái)，ADAS攝像頭對(duì)高速環(huán)境、高像素、行人偵測(cè)追蹤、等方面有較高要求，如果有傳輸延遲可能造成重大交通事故。所以將FPGA放在攝像頭端可以快速實(shí)時(shí)進(jìn)行視頻處理直接對(duì)車輛或者駕駛員發(fā)布控制信號(hào)，無(wú)需對(duì)獲取的信息進(jìn)行二次分析和處理，所以大大減少了傳輸延遲問(wèn)題，同時(shí)減輕了后端處理資源消耗。”
對(duì)于創(chuàng)客們參與的開(kāi)發(fā)，也有類似的應(yīng)用場(chǎng)景。目前看來(lái)主要集中在機(jī)器視覺(jué)、智能機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器控制、運(yùn)動(dòng)控制等方面。其中尤以視頻和視覺(jué)（Video/Vision）處理居多。
圖：賽靈思全球高級(jí)副總裁湯立人先生在創(chuàng)客活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)。
6款FPGA典型創(chuàng)客實(shí)例
話不多說(shuō)，先看兩款機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用案例：
1.智能交互機(jī)器人
小巧可愛(ài)、能與人互動(dòng)的“Nao”機(jī)器人具備有一定水平的人工智能，能夠與人親切的互動(dòng)。其使用基于Zynq Z7010的NI myRIO，實(shí)時(shí)控制Nao的走動(dòng)，同時(shí)借助基于Spartan-6 FPGA的處理能力，幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能立體視覺(jué)。使用NAO SDK for NI LabVIEW即可快速地編寫(xiě)機(jī)器人應(yīng)用程序，將它打造成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的人機(jī)交互入口。
2.智能人臉識(shí)別攝像頭
人臉檢測(cè)、識(shí)別以及跟蹤可以說(shuō)是應(yīng)用最廣泛的一種視頻分析應(yīng)用。傳統(tǒng)的解決方案通常是將視頻回傳到后臺(tái)或上傳到云端，利用后臺(tái)服務(wù)器的強(qiáng)大性能對(duì)視頻進(jìn)行分析和處理。而基于Zynq的智能攝像頭方案，可以提供最小體積功耗的人臉識(shí)別解決方案，直接嵌入攝像頭內(nèi)部完成相應(yīng)處理，大大節(jié)約了處理時(shí)間，節(jié)省了服務(wù)器的處理資源。這是一個(gè)來(lái)自瑞為技術(shù)的智能攝像頭解決方案。ZynqSoC在這個(gè)應(yīng)用中完成了視頻圖像的預(yù)處理以及基于DNN（深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）算法的智能人臉檢測(cè)識(shí)別，ZynqSoC的架構(gòu)輔以高度優(yōu)化的人工智能算法使得這個(gè)解決方案的性價(jià)比很高。這樣一個(gè)高度集成的智能攝像頭可以實(shí)時(shí)處理720p高清，30幀/秒的視頻，同時(shí)可以最多識(shí)別32張人臉。
麥迪觀察：很多時(shí)候機(jī)器視覺(jué)是和機(jī)器控制配合使用，開(kāi)發(fā)者可以選擇獨(dú)立的FPGA芯片，但創(chuàng)客們更適合采用帶有FPGA的第三方開(kāi)發(fā)板，或是直接使用帶有FPGA內(nèi)核的單芯片（SoC）進(jìn)行開(kāi)發(fā)。采用諸如ZynqSoC（ARM+FPGA異構(gòu)單芯片）進(jìn)行開(kāi)發(fā)，能有較好的體積和功耗優(yōu)勢(shì)。
下面是兩款視頻方面的典型案例：
3. 3D頭戴顯示設(shè)備（來(lái)自某知名品牌）
這是一款為3D而生的頭戴式觀影設(shè)備。內(nèi)置5.5寸2K屏幕，虛擬屏幕可以達(dá)到15米遠(yuǎn)，1000英寸大小的效果。支持800度近視調(diào)節(jié)，單眼清晰度高達(dá)280x1440。在這一案例中，賽靈思的ZYNQ器件主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)高清圖像的視頻旋轉(zhuǎn)、縮放、畸變矯正、色差補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/div>
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4. CarmVision-智能電子顯微鏡
該智能電子顯微鏡通過(guò)圖像采集，處理，可完成高分辨率的圖像顯示，測(cè)量和細(xì)節(jié)檢查。其中，ZynqSoC由于其內(nèi)部擁有雙核的Cortex A9處理器，在完成復(fù)雜的圖像處理之余，還能完成操作界面（UI），菜單等操作系統(tǒng)的工作。
麥迪觀察：由于FPGA應(yīng)用于視頻領(lǐng)域已比較成熟，很多視頻應(yīng)用案例都是來(lái)自于已商用的展示。不同于原型開(kāi)發(fā)，這類商用產(chǎn)品中多選擇像ZynqSoC（ARM+FPGA的SoC），受訪人表示，這對(duì)于提高產(chǎn)品集成度，實(shí)現(xiàn)快速上市會(huì)有很大助益。
再來(lái)看兩款年輕創(chuàng)客的FPGA作品，主要用在運(yùn)動(dòng)控制
5. 爬墻機(jī)器人
東南大學(xué)學(xué)生此次展示的爬墻機(jī)器人是在開(kāi)源硬件大賽中產(chǎn)生的優(yōu)秀獲獎(jiǎng)作品，這一項(xiàng)目為降低高空作業(yè)的潛在危險(xiǎn)提供了方案。此次展示的爬墻機(jī)器人能夠在墻壁上吸附和移動(dòng)，并且能夠改變方向，實(shí)現(xiàn)墻面二維運(yùn)動(dòng)。該設(shè)計(jì)采用Artix-35T FPGA具備豐富的I/O接口及硬件邏輯資源，可以完成十個(gè)以上的步進(jìn)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的完整解決方案。
6. Ancient Wall – E
機(jī)器人瓦力現(xiàn)身，這個(gè)機(jī)器人演示是東南大學(xué)學(xué)生利用Basys3開(kāi)發(fā)板的作品。機(jī)械手通過(guò)讀取人手佩戴的傳感器信息，實(shí)時(shí)操控機(jī)械手臂，完成模仿人手的某些動(dòng)作。它實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)器人機(jī)械臂的體感控制，也可用于按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具。在工業(yè)生產(chǎn)中可用于在危險(xiǎn)環(huán)境下工作，提高人的安全性。其基于賽靈思Artix-7 FPGA完成，Artix-7在IO數(shù)量、外設(shè)接口方面的優(yōu)勢(shì)使得單芯片可以同時(shí)支持16路電機(jī)的控制，快速精準(zhǔn)地完成對(duì)機(jī)械手臂的控制。
麥迪觀察：據(jù)上述兩個(gè)方案的設(shè)計(jì)者表述，采用FPGA進(jìn)行機(jī)器控制的主要優(yōu)勢(shì)在于其擁有豐富I/O口，可以實(shí)現(xiàn)多路并行控制，一般串口難以實(shí)現(xiàn)。這也極大豐富了他們?cè)O(shè)計(jì)的可拓展性。例如在爬墻機(jī)器人設(shè)計(jì)中，機(jī)器人可以控制‘腳’位移，同時(shí)控制機(jī)械臂執(zhí)行諸如擦玻璃的操作。雖然這些學(xué)生作品看上去還有些簡(jiǎn)單甚至是簡(jiǎn)陋，但也欣喜的看到FPGA的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已經(jīng)真實(shí)走進(jìn)了校園，未來(lái)的創(chuàng)客們已經(jīng)借助于FPGA的平臺(tái)將他們的想法展現(xiàn)在了眾人面前。
關(guān)注2：如何能用好FPGA？
這個(gè)問(wèn)題和FPGA開(kāi)發(fā)難度相關(guān)。
一般我們會(huì)認(rèn)為創(chuàng)客可能缺乏軟硬件基礎(chǔ)，做相關(guān)開(kāi)發(fā)會(huì)有難度。但沒(méi)想到，對(duì)這個(gè)顧慮，湯立人先生反倒給出出人意料的答案，“我個(gè)人更看好創(chuàng)客的技術(shù)實(shí)力。很多創(chuàng)客來(lái)自初創(chuàng)型公司或完全是一個(gè)人，在這些公司中，個(gè)人的開(kāi)發(fā)能力和項(xiàng)目控制能力往往更強(qiáng)，一般軟件或硬件都會(huì)懂一些，會(huì)很適合FPGA的編程。當(dāng)然更重要的是，對(duì)于賽靈思而言，目前全面推出的全可編程（All Programmable）器件，就更進(jìn)一步降低了硬件編程的難度。因?yàn)槠渌芯幊汰h(huán)境（例如全新的SDSoC開(kāi)發(fā)環(huán)境）都是基于C語(yǔ)言的環(huán)境，能完成‘軟件定義硬件’‘軟件定義系統(tǒng)’的開(kāi)發(fā)。這樣做的好處是打破了原先只有少數(shù)硬件工程師才能使用FPGA的門(mén)檻。很多創(chuàng)客工程師是軟件工程師，懂C語(yǔ)言，就能進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)。這點(diǎn)從好多大學(xué)生利用我們的器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)就可以看到，他們很多并沒(méi)有FPGA的相關(guān)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。”
湯立人進(jìn)一步表示，“從大環(huán)境來(lái)看，軟件定義會(huì)是趨勢(shì)，幾乎現(xiàn)在每個(gè)系統(tǒng)都在呼喚可編程，從可編程的數(shù)據(jù)中心，到可編程的智能汽車開(kāi)發(fā)。所以為了方便來(lái)自各領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)者使用，賽靈思在工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境方面花了很大的精力完善，把編程開(kāi)發(fā)門(mén)檻降到最低。當(dāng)然硬件方面，為了方便開(kāi)發(fā)者使用，我們也和許多具體的參考板設(shè)計(jì)公司合作，開(kāi)發(fā)適合各領(lǐng)域應(yīng)用的具體板子給到大家，我們有一面開(kāi)發(fā)板墻（下圖），上面有很多合作方的開(kāi)發(fā)板，入門(mén)的開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)這些板子或合作方得到技術(shù)支持。”
圖：來(lái)自Xilinx和其合作伙伴的開(kāi)發(fā)板墻。
最后，湯總也開(kāi)玩笑地對(duì)麥迪說(shuō)：“你在大學(xué)里學(xué)過(guò)C語(yǔ)言，也能來(lái)試試。”（對(duì)此，麥迪表示壓力仍大。）
附：所有其他9個(gè)基于FPGA的創(chuàng)客實(shí)例展示
由于當(dāng)天帶的實(shí)例太多，麥迪就不多一一解釋了，毫無(wú)保留的列在下面，想看實(shí)例的小伙伴們請(qǐng)隨意吧。
7.極米（Gimi）微型投影儀
看電視不需要屏幕了！這款極米微型投影儀作為便攜式投影系統(tǒng)，不但具備傳統(tǒng)投影儀的投影功能，其本身還是一部輕便的家庭影院系統(tǒng)，有上萬(wàn)種片源可供選擇觀看。
賽靈思Spartan-6系列FPGA在整個(gè)系統(tǒng)中主要完成接口擴(kuò)展，系統(tǒng)外設(shè)整合及視頻校正的功能。借助可編程邏輯的特性，完美地支持了產(chǎn)品的高集成度及快速上市周期。
8.智能象棋對(duì)弈機(jī)器人
本演示利用Basler相機(jī)進(jìn)行圖像采集，并基于Compact RIO、NI SoftMotion、NI Vision等平臺(tái)進(jìn)行圖像分析處理，可以完成象棋識(shí)別、抓取和移動(dòng)，并結(jié)合智能象棋算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布局、人機(jī)對(duì)戰(zhàn)等功能。
基于Xilinx Kintex-7 FPGA 的NI Compact RIO平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)控制，完成對(duì)棋子的抓取和移動(dòng)功能。
應(yīng)用領(lǐng)域：機(jī)器視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)控制可以應(yīng)用于工程領(lǐng)域的各行各業(yè)，比如機(jī)械制造、醫(yī)藥醫(yī)療、電子電氣、自動(dòng)測(cè)量等等。
9.高清無(wú)線圖形傳輸模塊
實(shí)現(xiàn)高清圖像的遠(yuǎn)距離（1~50公里）雙向傳輸，同時(shí)可以提供數(shù)據(jù)傳輸通道，可廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)圖傳、寬帶無(wú)線電臺(tái)、廣電視頻中繼等領(lǐng)域。
Zynq芯片中邏輯部分完成無(wú)線通信的物理層調(diào)制解調(diào)信號(hào)處理功能，處理器部分實(shí)行MAC層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。單芯片完成整個(gè)通信系統(tǒng)功能。
利用Zynq單芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)通信ASIC，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整通信體制、頻段、帶寬的具備認(rèn)知功能的智能無(wú)線通信系統(tǒng)。
10.智能PAD 示波器
將電路信號(hào)的波形呈現(xiàn)在手機(jī)或者平板電腦上，用于智能硬件產(chǎn)品的調(diào)試，也可以應(yīng)用于K12青少年課外科技活動(dòng)的輔助工具。
Zynq芯片完成對(duì)高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）的數(shù)據(jù)采集，分析和處理，然后利用其中的ARM處理器支持無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)，與手機(jī)或平板電腦通信。
利用Zynq單芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的FPGA+ARM或DSP+ARM模式，產(chǎn)品體積減小為原來(lái)的50%，性能提升20%
11.魔方機(jī)器人
東南大學(xué)學(xué)生的優(yōu)秀作品。系統(tǒng)通過(guò)完全閉環(huán)的運(yùn)動(dòng)控制，識(shí)別魔方各個(gè)面的顏色實(shí)現(xiàn)魔方還原步驟的解算，并控制舵機(jī)精確還原魔方。
Artix-35T器件實(shí)現(xiàn)了圖像采集、顏色識(shí)別及計(jì)算處理功能，同時(shí)提供多路PWM信號(hào)完成對(duì)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制
12.智能工業(yè)相機(jī)
高度集成化的微小型機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機(jī)內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺(jué)解決方案。
基于Zynq單芯片的工業(yè)相機(jī)方案，不僅可以完成復(fù)雜的圖像處理功能，還能同步實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、軌跡跟蹤、總線通信等功能，實(shí)現(xiàn)一體化機(jī)器視覺(jué)解決方案
應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人控制、印刷設(shè)備、包裝機(jī)械、自動(dòng)分檢、自動(dòng)識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域。該公司產(chǎn)品不僅包括工業(yè)相機(jī)，還提供視頻分析以及相關(guān)的運(yùn)動(dòng)控制等一體化解決方案。
13.SDN軟件定義網(wǎng)絡(luò)陣列
借助Zynq芯片單板的堆疊陣列實(shí)現(xiàn)四個(gè)千兆端口的軟件定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可用于軟件定義網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以及定制化小型網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，可組合成專用可編程計(jì)算加速陣列。
Zynq芯片中邏輯部分實(shí)現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的OpenFlow數(shù)據(jù)面，ARM處理器部分實(shí)現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制面。單芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的軟件定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。利用Zynq將計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)融合在一起，用戶可以用軟件編程的方式快速實(shí)現(xiàn)特定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，比如路由器和防 火 墻等
14.智能老鼠迷宮
這是華中科技大學(xué)的作品。智能電腦鼠可自行尋找最佳路徑，快速完成路徑規(guī)劃。操控者也可選擇為電腦鼠采用紅外傳感器或視覺(jué)傳感器。該設(shè)計(jì)基于Zynq芯片上的可編程邏輯部分可快速完成100幀/秒以上的高速圖像處理、低延時(shí)的紅外傳感器數(shù)據(jù)獲取、以及快速的電機(jī)控制確保電腦鼠的運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)Zynq的Cortex-A9雙核可完成判斷等算法和對(duì)外通訊，以及后續(xù)智能應(yīng)用。
15.智能書(shū)法器
機(jī)器人也能寫(xiě)書(shū)法？沒(méi)錯(cuò)，東南大學(xué)學(xué)生利用FPGA驅(qū)動(dòng)控制毛筆寫(xiě)字，將書(shū)法這一中國(guó)特色傳統(tǒng)文化同現(xiàn)代科技巧妙結(jié)合在了一起。
Artix-35T器件內(nèi)存儲(chǔ)了相應(yīng)的字庫(kù)信息，在書(shū)寫(xiě)時(shí)讀取字庫(kù)，并計(jì)算出毛筆的位移、輕重等信息，產(chǎn)生PWM信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而控制毛筆移動(dòng)完成智能書(shū)寫(xiě)器。
