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1.概述

1.1圖像處理算法原理

2D圖像是由一個(gè)一個(gè)像素值表達(dá)而來(lái)，每個(gè)像素由一個(gè)具體的數(shù)字代表其顏色亮度等信息。而3D模型通常由頂點(diǎn)（Vertex） 組成，而紋理（Texture） 是一個(gè) 2D 圖像。所以圖像相關(guān)算法本質(zhì)都是對(duì)矩陣類的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。

例如：通過(guò)卷積對(duì)圖像進(jìn)行去噪

1.2 GPU加速

在計(jì)算機(jī)沒有GPU之前，所有的算法都是通過(guò)CPU來(lái)進(jìn)行的，由于硬件結(jié)構(gòu)的特殊性，只能順序?qū)��?shù)據(jù)進(jìn)行處理。而圖像類矩陣樣式的數(shù)據(jù)，是很適合分區(qū)、并行的處理方式的，GPU為此而生。

2.嵌入式GPU 的圖形加速技術(shù)

任何嵌入式硬件設(shè)計(jì)都遵循：可移動(dòng)、低功耗、高集成、低成本……

2.1 硬件技術(shù)

1.架構(gòu)設(shè)計(jì)

l 可擴(kuò)展性：現(xiàn)代嵌入式GPU通常采用模塊化設(shè)計(jì)，支持從低功耗到高性能的不同配置，以適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

l 多核架構(gòu)：為了提高并行處理能力和效率，嵌入式GPU常采用多核架構(gòu)，每個(gè)核心可以獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)或協(xié)同工作。

l 統(tǒng)一著色器架構(gòu)：這種架構(gòu)允許頂點(diǎn)著色器、像素著色器等使用相同的資源池，提高了資源利用率。

2. 性能優(yōu)化

l 高帶寬內(nèi)存（HBM）：通過(guò)堆疊DRAM芯片來(lái)增加內(nèi)存帶寬，減少延遲，從而提升性能。

l 深度學(xué)習(xí)加速：一些嵌入式GPU集成了專門的硬件單元來(lái)加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算，如NVIDIA的Tensor Core。

l 高效的渲染管線：優(yōu)化了渲染管線的設(shè)計(jì)，減少了不必要的計(jì)算步驟，提升了整體效率。

3. 功耗管理

l 動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）：根據(jù)當(dāng)前的工作負(fù)載自動(dòng)調(diào)整GPU的工作頻率和電壓，以達(dá)到節(jié)能的目的。

l 智能電源管理：利用先進(jìn)的算法預(yù)測(cè)未來(lái)的負(fù)載情況，并提前調(diào)整電源狀態(tài)，確保在滿足性能要求的同時(shí)最小化能耗。

l 低功耗模式：當(dāng)設(shè)備不活躍時(shí)，GPU可以進(jìn)入低功耗甚至完全關(guān)閉的狀態(tài)，進(jìn)一步節(jié)省電量。

4. 集成與兼容性

l 與CPU和其他處理器的緊密集成：為了實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)交換和協(xié)作處理，嵌入式GPU往往與CPU以及其他專用處理器（如DSP）緊密集成。

2.2 軟件技術(shù)

GPU畢竟是硬件，一定要由與之相匹配的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和開發(fā)框架才能建立必要的開發(fā)生態(tài)。不像桌面PC或是大型服務(wù)器一般被英偉達(dá)CUDA一家獨(dú)大，嵌入式無(wú)論是硬件還是軟件框架都有著非常靈活的業(yè)務(wù)針對(duì)性（特色），遵循小而專。當(dāng)然盡量兼容桌面版圖形API是各廠家的追求，但限于硬件算力重新設(shè)計(jì)也是一種不得已的選擇。

l OpenGL ES (Embedded-System Graphics):是一種為嵌入式系統(tǒng)和移動(dòng)設(shè)備優(yōu)化的圖形API。它提供了類似于桌面版OpenGL的功能，但針對(duì)資源受限的環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化。OpenGL ES支持多種編程語(yǔ)言，包括C和C++，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)游戲開發(fā)和嵌入式設(shè)備。

l Vulkan:是一個(gè)現(xiàn)代的、面向高性能計(jì)算的跨平臺(tái)圖形和計(jì)算API。它旨在提供對(duì)硬件的直接控制，以實(shí)現(xiàn)高效率的圖形和計(jì)算任務(wù)。Vulkan特別適用于嵌入式系統(tǒng)，因?yàn)樗�允許開發(fā)者優(yōu)化資源使用和實(shí)現(xiàn)低延遲渲染。

l DirectX:雖然DirectX主要與Windows平臺(tái)相關(guān)聯(lián)，但它的某些版本（如DirectX 11和12）也可以在支持的設(shè)備上運(yùn)行，包括一些嵌入式系統(tǒng)。DirectX提供了豐富的API來(lái)支持3D圖形、音頻和視頻處理，適用于需要高性能圖形處理的應(yīng)用。

l Metal (iOS/macOS)是蘋果公司為iOS和macOS開發(fā)的一個(gè)低級(jí)、高性能的圖形API。雖然它主要用于蘋果的操作系統(tǒng)，但通過(guò)跨平臺(tái)工具（如MoltenVK），它也可以在支持Metal的設(shè)備上運(yùn)行。這對(duì)于需要在蘋果設(shè)備上實(shí)現(xiàn)高級(jí)圖形處理的嵌入式系統(tǒng)尤為重要。

l OpenCL:是一個(gè)用于異構(gòu)并行編程的框架，它支持多種類型的處理器，包括GPU。雖然OpenCL最初是為通用計(jì)算設(shè)計(jì)的，但它也可以用來(lái)加速圖形渲染任務(wù)。在嵌入式系統(tǒng)中，OpenCL可以用于優(yōu)化圖形處理的計(jì)算密集型部分。

l WebGPU:是一個(gè)為Web瀏覽器設(shè)計(jì)的圖形API，旨在提供與桌面和移動(dòng)設(shè)備上使用的類似性能的GPU訪問(wèn)。隨著Web技術(shù)的進(jìn)步，WebGPU有可能在未來(lái)的嵌入式系統(tǒng)中通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)高性能的圖形處理。

3.總結(jié)

嵌入式 GPU 的圖形加速技術(shù)研發(fā)的目的是讓圖像處理、AI機(jī)器學(xué)習(xí)和推理都能部署在端點(diǎn)設(shè)備之上（邊緣計(jì)算），以避免依賴云計(jì)算帶來(lái)的時(shí)延，甚至是通信中斷問(wèn)題。當(dāng)然鑒于嵌入式設(shè)備在硬件設(shè)計(jì)理念上無(wú)法脫離低功耗、低成本等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，最終僅僅也只能一定程度上實(shí)現(xiàn)必要的計(jì)算“加速“。