图像识别——强大的低功耗嵌入式AI方案海思Hi3519AV1

  强大的低功耗嵌入式AI方案海思Hi3519AV100介绍

海思Hi3519AV100是2018年10月在北京安防展展会上第一次进入我们视线的，然后11月初北京一家公司委托我们先研究一下，并从代理拿到初始版本的SDK资料，本人认真看了芯片DATASHEET，当时发觉比公司主推的Hi3519V101+Intel Movidius Myriad 2 MA2450强大，就决定动手做这个芯片方案，为了降低风险，我们只能先出自己的V1.0版本开发板玩玩，等软件工程师和硬件工程师调试SDK软件跑起来，我们才答应北京客户，进行Hi3519AV100项目定制。2019年1月底样机回来，能跑Hi3519AV100 的SDK程序，我们就立刻动手给北京客户定制Hi3519AV100的产品，反而本公司的对外销售的开发板没那么快出来，客户定制优先。本公司2019年3月份才对外出售Hi3519AV100方案的开发板，博客这边一直没多少时间来打理，去年写《图像识别VPU--易用的嵌入式AI支持深度学习平台介绍》里面介绍了Hi3559A这个更强悍的嵌入式AI平台，但是由于海思不对小公司开放SDK资源，我们就没必要这里详细介绍。
时间来到2019年6月，发觉这个上半年推出很多价格适中低功耗嵌入式AI方案，比较有代表性的：
英伟达的JETSON NANO
（JETSON TX1的简化版本，注意是TX1的简化，核心板把价格降低到1000元内，性能是相当不错，不过看到那个散热片我们就不考虑了。当然如果你的产品放在室内使用，这个NANO还是相当不错的，因为性能强大是摆在那里的）
GOOGLE的CORAL USB（TPU）加速棒
）GOOGLE 的CORAL USB 这个TPU性能也是相当强悍，我们还没玩过，不好评论，也是学人家Intel Movidius NCS加速棒模式）
瑞芯微RK3399PRO，RK1808加速棒
（RK3399PRO的AI核就和Hi3519AV100 NNIE的AI相当类似，ARM 方面的性能RK3399PRO比Hi3519V100强悍，功耗比Hi3519AV100大多了，用在室外我们还是不敢拿来给客户做产品，RK1808加速棒也是学人家Intel Movidius NCS加速棒模式）
百度基于赛灵思Zynq的EdgeBoard（比较贵）
还有RISC-V+KPU低成本方案（超级便宜）
加上去年主推的Intel Movidius Myriad X MA2485（今年才发布支持树莓派OpenVINO开发包，本人上个月才在树莓派3和RK3288平台上面跑通车牌识别和人脸识别的例子，基于l_openvino_toolkit_raspbi_p_2019.1.094 包，本公司VPU模组板子正在做）

说实在的，我们小公司精力也有限，有现成的客户定制，就做对应的芯片方案，其他没时间折腾，而且Hi3519AV100软硬件资料SDK比较容易搞到手。详细介绍Hi3519AV100前，我们这里提示一下：
海思芯片命名比较头疼（很多客户反馈），单单在安防监控IPC网络摄像机领域，Hi3519AV100和Hi3519V101、Hi3519V100性能相差非常遥远，我们图-2看到Hi3519AV100不单单是双核CORTEX-A53+IVE，而且增加支持深度学习的NNIE和DSP；Hi3519V101只是CORTEX-A17+CORTEX-A7+IVE组合而已，不带支持深度学习的加速引擎，所以本公司去年推出的Hi3519V101 +VPU，就是必须外加Intel Movidius Myriad 2 MA2450 VPU芯片才能跑Caffe深度学习算法（必须是C/C++程序），而最差劲的Hi3519V100已经停产，这3个Hi3519芯片型号工艺制程不一样，所以性能就不一样。都叫Hi3519，但是后缀的字母和数字不一样，性能相差非常大，很多客户被搞晕了。在做IPC（网络摄像机）产品方面，海思还有一个性价比很高的型号叫Hi3516，这个型号衍生至少9个后缀，性能也相差非常大，这里就不多说了，见海思官网：http://www.hisilicon.com/en/Products/ProductList/Surveillance 。其他拿来做NVR-DVR-机顶盒-手机等等型号这里也不描述，我们这里只关注图像识别的平台。

Hi3519AV100我们可以从下图图-1看看Hi3519AV100应用框图。

图-1 Hi3519AV100应用框图

Hi3519AV100是一颗面向监控 IP 摄像机、运动相机、全景相机、后视镜、航拍无人机、双目机器人等多个产品领域推出的高性能、低功耗的 4K Ultra HD Mobile Camera SOC（台积电12nm工艺）。

Hi3519AV100 MIPI接口4-LANE模式可以同时接3个CMOS SENSOR， 2-LANE模式可以同时接5路CMOS SENSOR。内置高性能全景拼接引擎，可实现4K级的2~4实时视频全景拼接。主摄像头 ISP0支持4K x 2K(3840 x 2160)@30fps 编码，用于 SD 卡存储 + 1080p@30fps 子码流编码并通过网口或 USB 送给无线传输模块。ISP1/2 接向双目摄像头，采用 DPU 模块提取双目深度图，送飞控 MCU 用于避障。ISP3/4 接朝下的单目或双目摄像头，在 向量DSP 运行 SLAM 算法，计算结果送飞控MCU 用于悬停。
NNIE （寒武纪AI核）是一个强大的可编程神经网络推理引擎，用于运行人脸识别/检测、目标检测或手势识别算法。

图-2 Hi3519AV100芯片内部结构图

从上图-2我们可以看到Hi3519AV100还是比较强悍的：
1、2*ARM Cortex A53@1.5GHz，32KB I-cache，32KB Dcache /256KB L2 cache
2、支持 Neon 加速，集成 FPU 处理单元
3、DSP集成Tensilica Vision P6 DSP@630MHz，32KB I-Cache/32KB I-RAM/512KB Data RAM， 0.3Tops 神经网络运算性能，支持 Huawei LiteOS
4、支持DDR4
图像识别的芯片现在最差的都得备DDR3的内存了，而Hi3519AV100是外接DDR4 内存芯片，深度学习访问内存速度是很关键的指标，DDR3还是比较落后。
5、NNIE
支持 AlexNet、VGG、ResNet、GoogLeNet 等多种分类神经网络
支持 Faster R-CNN、SSD、YoloV2 等多种目标检测神经网络
2.0Tops 神经网络运算性能
支持完整的 API 和工具链（编译器、仿真器），易于适配客户定制网络
（做过深度学习算法的朋友对上面列的算法应用很熟悉了，呵呵）
Hi3519AV100板上集成NNIE核支持深度学习：
加速引擎 NNIE 是一款基于 CNN、RCNN 等神经网络结构的深度学习专用加速器，可
用于图片分类、目标检测等应用场景。

NNIE性能：
支持深度学习算法AlexNet、VGG、ResNet、GoogLeNet 等多种分类神经网络
支深度学习算法Faster R-CNN、SSD、YoloV2 等多种目标检测神经网络
2.0Tops 神经网络运算性能
支持完整的 API 和工具链（编译器、仿真器） ，易于适配客户定制网络

NNIE 加速引擎特性如下：
支持 N * N 卷积
支持 Pooling（Max 和 Average）
支持 Stride
支持 Pad
支持激活函数（Relu、Sigmoid 和 TanH）
支持 LRN 运算
支持 BN(Batch Normalization)
支持向量与矩阵的乘加运算(Inner Product)
支持 Concat
支持 Eltwise
支持 8bit 的数据与参数模式
支持数据与参数位宽可配置
支持参数压缩和参数稀疏
支持输入图像为单通道（灰度图）和三通道（RGB 格式）
支持图像预处理(均值化和像素值缩放)
支持图像批处理
支持中间层结果上报

在海思SDK开发包的路径：Hi3519AV100R001C02SPC010\ReleaseDoc\zh\01.software\board\SVP下面，有一个《HiSVP 开发指南.pdf》和《HiSVP API 参考.pdf》
（提示：这些资料不得对外随便公布，必须采购华为海思Hi3519AV100芯片得到代理授权拿到资料，才能在公司内部公开的，所以本人也遵守一定原则）

图-3 Hi3519AV100 NNIE介绍1

图-4 Hi3519AV100 NNIE介绍2

图-5 Hi3519AV100 NNIE开发流程

我们从以上3个图片可以看到一些深度学习的算法的知识，深度学习模式训练和开发都是在PC端或者借助云端来处理，而最终程序是放在SoC Hi3519AV100板子上面运行，总之内容很多很大，这里就不搬弄过来了。
Hi3519AV100板上集成向量DSP:
向量DSP （Tensilica Vision P6 DSP@630MHz， 0.3Tops 神经网络运算性能）是给视觉处理加速的专用处理器，具有可编程的能力，基于 DSP 既可以开发供智能分析算法用的一系列基础运算功能，也可以实现复杂的算法。Hi3519AV100 支持 1个 向量DSP.
DSP 有如下主要规格点：
支持标量定点和浮点运算；
支持矢量定点和（单精度）浮点运算；
支持直方图统计加速；
支持 Gather/Scatter 操作；
支持 ICache 大小为 32KB，不支持数据 DCache；
支持 32KB 大小的 IRAM;
支持总共 512KB 大小的 DRAM，DRAM0 和 DRAM1 各 256KB;
支持 18 个电平触发中断；
支持 Input Queue 和 Output Queue；
支持内置 IDMA 用于在片上 DRAM 和 DDR 之间交换数据;
支持 JTAG 调试。
Hi3519AV100板上集成DPU：
DPU(Depth Process Unit)对输入的左图像和右图像经过校正和匹配计算得出深度图。
DPU 有如下主要规格点：
支持校正和匹配，可同时使用，也可单独使用；
支持左图和右图同时校正；
支持最大分辨率 1080P；
支持最大搜索视差数目 224；
支持起始视差可配置，范围 0~64；
只支持单分量输入；
支持亚像素深度图输出；
只支持以右图为参考图像，左图作为搜索图像；
匹配支持左图宽度大于右图宽度；
校正支持左图和右图分辨率不同，输入输出分辨率不同。
Hi3519AV100板上集成IVE：
IVE (Intelligent Video Engine)模块提供智能分析算法中所用到的一系列基础运算功能，以及部分耗时较大的特殊功能，是智能分析系统中的硬件加速模块。支持 IVE 2.1 智能算子，支持特征点检测、光流、计算机形态学处理等多种算子硬件加速。
IVE 模块支持如下功能特点：
DMA：支持直接拷贝、间隔拷贝、内存填充。
Filter：支持 5x5 模板滤波。
CSC：支持 YUV2RGB、YUV2HSV、YUV2LAB、RGB2YUV 颜色空间转换。
FilterAndCSC：支持 5x5 模板滤波和 CSC 的复合功能。
Sobel：支持 5x5 模板 Sobel-like 梯度计算。
MagAndAng\Canny：支持 5x5 模板梯度幅值和幅角计算、Canny 边缘提取。
Erode：支持 5x5 模板腐蚀。
Dilate：支持 5x5 模板膨胀。
Thresh\Thresh_S16\Thresh_U16：支持图象阈值化处理。
And\Or\Xor：支持两幅图象相与、或、异或。
Add\Sub：支持两幅图象相加权加、减。
Integ：支持积分图计算。
Hist：支持直方图统计。
Map：支持对图像通过 256 级 map 映射赋值。
16BitTo8Bit：支持 16bit 数据到 8bit 数据线性转换。
OrdStatFilter：支持顺序统计量滤波：中值滤波、最大值滤波、最小值滤波。
NCC：支持两相同大小图像互相关系数计算。
CCL：支持连通区域标记。
GMM：支持灰度图与 RGB 图的混合高斯背景建模。
LBP：支持简单局部二值模式计算。
NormGrad：支持归一化梯度计算。
LKOpticalFlow：支持 LK 光流跟踪。
STCorner：支持 ShiTomasi 角点检测。
GradFg：支持梯度前景运算。
MatchBgModel\UpdateBgModel：支持背景匹配、背景更新。
ANN_MLP_Predict：支持 ANN_MLP 预测。
SVM_Predict：支持 SVM 预测。
SAD：支持分块计算两幅图像对应像素差值绝对值的累加和。
Resize：支持双线性、区域图像缩放。
GMM2：支持灰度图、RGB 图的快速混合高斯背景建模。
CNN_Predict：支持卷积神经网络计算。
支持单独进行软复位。
支持 SP400、SP420 (semi-plannar 420)、SP422 (semi-plannar 422)、package、planar
等输入格式。
支持 SP400、SP420、SP422、package、plannar 等输出格式。
部分算子支持读写地址非 16-byte 对齐。
在海思SDK开发包的路径：Hi3519AV100R001C02SPC010\ReleaseDoc\zh\01.software\board\SVP下面，有一个《HiIVE API 参考.pdf》；解压SVP_PC.rar里面的HiIVE_PC_V2.1.0.7_64bit.tar.gz，也得到《HiIVE工具使用指南.pdf》
（提示：这些资料不得对外随便公布，必须采购华为海思Hi3519AV100芯片得到代理授权拿到资料，才能在公司内部公开的，所以本人也遵守一定原则）
Hi3519AV100视频输入接口介绍：
支持 12-lane Image Sensor 串行输入，支持 MIPI/subLVDS/HiSPI/SLVS-EC 多种接口；
最大可支持 5 路 Sensor 串行输入；
支持12-lane/8-lane+4-lane/4-lane+4x2-lane等多种组合方式；
最大输入分辨率：7680x4320；
支持 10/12/14 bit Bayer RGB DC 时序视频输入；支持 BT.656、BT.1120 视频输入；
支持通过 MIPI 虚拟通道输入 1~4 路 YUV。
Hi3519AV100 ISP与图像处理介绍：
ISP 支持多路时分复用，可处理多路 sensor 输入视频；
支持 3A（AE/AWB/AF）功能，3A 参数用户可调节；
支持去固定模式噪声（FPN）；
支持两帧曝光 WDR 及 Local Tone Mapping，支持强光抑制、背光补偿；
支持坏点校正、镜头阴影校正；
支持多级 3D 去噪，提供优秀的低照度图像效果，去除运动拖尾和色噪；
支持 3D-LUT 色彩调节；
支持图像动态对比度增强及边缘增强处理；
支持色差校正(CAC)及去紫边；
支持去雾；
支持 6-Dof 数字防抖及 Rolling-shutter 校正；
支持镜头畸变几何校正及鱼眼矫正；
支持图像 90 度/270 度旋转；
支持图像 Mirror、Flip；
支持多路缩放输出，缩放倍数：1/15.5～16x；
支持最大 8 个区域的编码前处理 OSD 叠加；
提供 PC 端 ISP 调节工具。
Hi3519AV100其他功能介绍
支持H.264/H.265编码和解码；
支持HDMI2.0输出接口；
支持视频拼接硬件加速引擎；
支持音频接口，集成 Audio codec，支持 16bit 语音输入和输出；
支持音频编码和解码；
支持1000M网口；
Hi3519AV100功耗
台积电12nm工艺；(这个12nm工艺确实很不错)
典型场景（4K x 2K(3840 x 2160)@30fps编码+ 神经网络算法）功耗：1.9W
支持多级省电模式；
最大功耗场景：环境温度70°，结温110°，运行4K +神级网络等等模块全部打开：功耗2.9W，不过这种情况几乎很少出现。
Hi3519AV100工作温度
温度范围：-25°C--70°C，商业级，本公司高低温实际测试结果。

Hi3519AV100 SDK包
Hi3519AV100的SDK包需要安装在ubuntu16.04 LST 64bit环境，这里就不累赘，SDK包里面有介绍如何安装SDK，简单的几个命令。不过这里还是提醒一下从来没安装过海思SDK包的朋友，由于在ubuntu16.04 LST 64bit环境，下面几个命令需要做的：
使用root登录ubuntu，
1、./sdk.unpack: run_command_progress_float: not found
#dpkg-reconfigure dash，选择no

2、/bin/sh: /opt/hisi-linux/x86-arm/arm-himix200-linux/bin/arm-himix200-linux-size: No such file or directory
#apt-get install lib32z1-dev

3、"mkimage" command not found - U-Boot images will not be built
#apt-get install u-boot-tools

4、/usr/bin/ld: cannot find -lncurses
#apt-get install libncurses5-dev

5、makeinfo: command not found
#apt-get install texinfo

最后提到Hi3519AV100 SDK包里面的SVP_PC
1） HiIVE_PC_Vx.x.x.x.rar
IVE PC端组件包，包含/tool目录，文档《HiIVE工具使用指南.pdf》
2） HiSVP_PC_Vx.x.x.x.rar
SVP PC端组件包，包含include/lib/sample/tool
3） HiDPU_PC_Vx.x.x.x.rar
DPU PC端组件包，包含tool

上面是公司自己做的Hi3519AV100核心板和开发板，淘宝上面有卖，输入Hi3519AV100应该能看到，或者链接：https://shop472233692.taobao.com/?spm=2013.1.0.0.304c52653E7qVS。 还有本人的联系方式QQ：2505133162周1---周6在线。总之做这个Hi3519AV100需要一定实力，而且对深度学习一些经典Caffe算法在PC上的开发需要一定功力。图-3、图-4 和图-5 NNIE开发指南，涉及的知识点还比较多。Hi3519AV100上面提到Hi3519AV100除了能做人脸识别，而且能做手势识别的产品，本人也希望更多算法软件公司基于这些嵌入式AI平台，在边缘端做出更多识别算法服务老百姓，比如现在一直存在的反人类的抢夺和拐卖儿童的事件，配合人脸识别、手势识别、行为分析和云端处理，让犯罪份子无地藏身等等。越往后，嵌入式AI的芯片越强大，比如1W功耗10.0T运算能力很快就出来。
这些天（2019-05-25）贸易战打得很火，这对于我们这些科技公司杀伤力很大，活下去是短期最大目标了，还好海思拿到ARM公司的ARMV7和ARMV8的永久授权，台积电那边也支持这些大客户，应该对Hi3519AV100这些都没有影响。当然，我们公司不单单拿海思的芯片设计嵌入式AI产品，也拿Intel Movidius的芯片做产品，后面还会做其他平台的产品，根据自己的实力，哪个好用，资料容易搞到，性价比最优，就选择谁。从上面的介绍，Hi3519AV100性价比真的还不错的。