高速数据传输：构建嵌入式视觉的未来

在当今数字化时代，数据如同流淌在信息高速公路上的血液，驱动着各个领域的创新与发展。而在嵌入式视觉领域，高速数据传输正扮演着越来越关键的角色，它不仅是实现实时、精准视觉感知的基础，更是开启未来智能应用无限可能的钥匙。

随着智能设备的普及、数据中心系统的不断升级以及各类软件的飞速发展，市场对高速数据传输的需求呈现出爆发式增长。企业迫切需要数据在其复杂的技术基础设施中以闪电般的速度传输，同时还需确保传输过程具备高度的适应性、可扩展性以及安全性。实时数据传输的要求给系统带来了前所未有的压力，对底层基础设施提出了近乎严苛的挑战。无论是提升手机视频质量，让人们能够随时随地记录高清精彩瞬间;还是帮助无人驾驶汽车在瞬息万变的路况中及时准确地避免碰撞，保障道路交通安全;亦或是激活智能家居安全设备，为家庭构筑可靠的安全防线，以及监控工业生产质量，确保生产流程的高效稳定，高效数据传输的重要性都不言而喻。

在嵌入式视觉应用中，一系列关键的硬件、软件以及接口协议要求构成了高速数据传输的基石。移动行业处理器接口(MIPI)作为一种标准化接口，在移动和嵌入式视觉领域广泛应用，它如同一条畅通的桥梁，将外设和传感器与设备的嵌入式处理器紧密相连，有力地支持着各种传感器、处理器和显示器之间的高速数据传输。千兆位多媒体串行链路(GMSL)则是一种高度可配置的 SERDES 互连解决方案，特别适用于高速、高分辨率视频和显示应用，能够通过单线同时传输实时数据、控制和电源信号，大大简化了布线复杂度，提高了系统集成度。DSI 负责将处理过的视频或图像数据精准地传输到屏幕上，是众多现代嵌入式视觉应用不可或缺的重要组成部分。PCIe® 作为一种高性能、可扩展且定义明确的接口标准，在连接系统的处理单元与摄像头、传感器等外围设备方面发挥着核心作用，为数据传输提供了高速稳定的通道。以太网电缆作为一种常见的有线连接方式，在局域网(如 GigE Vision、以太网 AVB/TSN、IPMX、Dante 和 NDI)和广域网(如 SMPTE 2022、SMPTE 2110)传输中都有广泛应用，其通用性和成熟的技术体系为数据的长距离传输提供了可靠保障。

尽管这些协议和组件各自在视觉应用中发挥着重要作用，但它们并非孤立存在，还需要互补的硬件和软件协同工作，才能充分发挥出最受欢迎的功能。在这方面，现场可编程门阵列(FPGA)凭借其独特的灵活性和先进的功能脱颖而出，成为了实现嵌入式视觉协议无缝集成的理想选择。开发人员可以借助 FPGA 强大的可编程能力，将各种协议和组件有机地整合在一起，充分挖掘它们的潜力，发挥出强大的作用。

以莱迪思为例，其提供了全面的硬件和软件解决方案，致力于将这些协议和组件完美集成到视觉应用中。基于莱迪思 Nexus™和莱迪思 Avant™ FPGA 平台的 FPGA 系列产品，具备嵌入式存储、大量 I/O 接口以及领先的低功耗特性。这些 FPGA 拥有优化的互连功能、低功耗和小封装尺寸等优势，能够出色地支持高速应用场景，满足嵌入式视觉系统对硬件性能和功耗的严格要求。莱迪思 mVision™解决方案集合更是包含了一系列实用工具，为嵌入式视觉系统设计人员提供了极大的便利，帮助他们能够快速开发和部署基于 FPGA 的应用，涵盖了机器视觉、机器人、ADAS、视频监控和无人机等众多热门领域。其中，参考设计和演示涵盖了传感器桥接和聚合、显示器连接和图像处理等关键环节，为设计人员在构建嵌入式视觉系统时提供了宝贵的示例和预开发起点，大大缩短了开发周期，降低了开发成本。软件工具莱迪思 Radiant™和 Lattice Diamond™则提供了强大的设计功能，确保了在嵌入式视觉设计中 FPGA 能够快速、高效地集成到系统中。此外，IP 核如模块化 MIPI/D-PHY 和 USB3/GigE Vision 等，可作为可扩展设计的基础构建模块，进一步提升了设计的灵活性和可扩展性。

在嵌入式视觉应用开发过程中，桥接 / 排队和通道聚合是两个至关重要的功能。它们如同智能的交通枢纽管理员，负责设置数据传输的优先级，并将一种媒体 / 格式巧妙地转换为另一种媒体 / 格式。例如，在实际应用场景中，视频数据可能会通过多种不同的物理介质进行传输，然后经过聚合、优先级排序或选择性预处理等一系列操作，最后再打包通过网络发送出去，以确保数据能够准确、高效地到达目的地。在某些情况下，媒体数据并非通过网络桥接传输到远处，而是通过 PCIe 或以太网进入主机 PC 或 SoC 进行计算处理，这种灵活的数据传输和处理方式为满足不同应用需求提供了多样的选择。

嵌入式视觉应用对算力有着极高的要求，同时还不能牺牲效率或数据质量。莱迪思 FPGA 系统通过支持关键组件和协议，为开发人员创建高速、低功耗的系统提供了有力支持。在莱迪思开发者大会上，展示了多个令人瞩目的基于 FPGA 的嵌入式视觉应用实例。其中，利用 GSML 到 Holoscan 传感器桥实现网络边缘 AI 的应用备受关注。通过莱迪思与 NVIDIA® 合作开发的 Holoscan 传感器桥接，开发人员能够轻松地将支持 GMSL 的摄像头与使用 MIPI 的开发套件和显示器进行配对。这一创新的参考设计为硬件开发人员和系统架构师提供了极大的便利，使他们能够在没有 MIPI 接口的系统中充分利用 GMSL 组件，同时确保满足嵌入式和网络边缘用例对高比特率和稳定连接性的严格要求。另一个具有代表性的应用是桥接 MIPI DSI 和 DisplayPort。借助莱迪思 FPGA 和 IP 核，开发人员可以实现移动和高清显示器之间的无缝衔接。以莱迪思 CertusPro™-NX 为例，开发人员能够通过 MIPI 协议将视频数据从 DSI 平稳地传输到 DisplayPort。这一解决方案不仅满足了各行业嵌入式视觉的灵活连接需求，特别是在汽车领域的应用中发挥了重要作用，有助于确保高质量的视频输出，同时还降低了对图形处理器(GPU)等昂贵组件的处理能力要求，为企业节省了成本。

除了上述已经展示的应用之外，利用动态接口的、基于莱迪思 FPGA 的系统在未来还展现出了广阔的应用前景。在不断发展的机器人技术领域，机器人需要实时处理大量的视觉信息，以实现精准的动作控制和环境感知，高速数据传输和高效的视觉处理能力将是决定机器人性能的关键因素。通过人工智能强化的工业检测工具也对高速数据传输有着迫切需求，它们需要快速准确地分析生产线上的产品图像，及时发现缺陷和质量问题，确保产品质量和生产效率。在汽车视觉系统方面，随着自动驾驶技术的不断发展，汽车需要在极短的时间内处理来自多个摄像头和传感器的海量视觉数据，高速数据传输是实现安全、可靠自动驾驶的基础保障。强大的硬件和适应性强的连接接口相结合，为开发人员支持要求高效控制和高速数据传输的嵌入式视觉系统提供了坚实的技术支撑，也为嵌入式视觉的未来发展打开了无限可能的大门。

高速数据传输在嵌入式视觉领域正发挥着不可替代的核心作用，它是推动嵌入式视觉技术不断创新和广泛应用的关键力量。从硬件到软件，从接口协议到系统集成，各个环节的协同发展共同构建了嵌入式视觉的未来蓝图。随着技术的不断进步和创新，我们有理由相信，嵌入式视觉将在更多领域绽放光彩，为人们的生活和社会的发展带来更多惊喜和变革。