0 引言

    先進駕駛輔助系統(tǒng)(Advancend Driving Assistant System，ADAS)常用于提高駕駛體驗以及駕駛安全性，例如自適應(yīng)定速巡航系統(tǒng)^[1]與智能速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)^[2]能有效減少司機的勞動以及交通事故。由于ADAS對計算能力需求較高，通常運行在特殊的處理單元中，這類車載電子設(shè)備行業(yè)中分為車載前裝、后裝。其中后裝市場中的Mobileye，能提示司機車道偏離以及提示車距過近。盡管在過去數(shù)十年里，ADAS技術(shù)高速發(fā)展^[3]，各類前裝、后裝ADAS產(chǎn)品的價格仍然是個大問題。

    如今，移動設(shè)備計算能力的高速發(fā)展以及GPU在手機片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)上的集成使得在手機上運行高計算需求的任務(wù)成為可能^[4-5]。此外，智能手機配置的高清相機以及便于交互的觸摸屏，以及其低廉的價格，非常適合運行基于視覺的手機ADAS應(yīng)用^[6]。不僅如此，在高通即將發(fā)布的驍龍835 SoC上已經(jīng)支持Tensorflow機器學(xué)習(xí)框架，能通過手機運行基于深度學(xué)習(xí)的ADAS應(yīng)用。

    目前，業(yè)界主要使用FPGA以及GPU的并行能力，加速科學(xué)計算。在業(yè)界，主要包括Nvidia支持的CUDA以及OpenCL兩個計算框架。相較于CUDA只支持在Nvidia的顯卡上運行，OpenCL框架提供了異構(gòu)并行計算的解決方案，其中包括FPGA、GPU、CPU，尤其是其支持手機GPU。按照OpenCL API編寫的內(nèi)核函數(shù)，能在處理核心（如：GPU、FPGA等設(shè)備）上并行運行。通過OpenCL框架，能充分利用手機GPU進行異構(gòu)并行計算^[7-9]，進而高效運行部分基于視覺的ADAS應(yīng)用。雖然iOS上的Metal框架與OpenCL比較類似，但目前而言，只有安卓系統(tǒng)支持基于OpenCL的應(yīng)用。

    基于性能評估的需要，本文選擇了3款手機，分別為：小米5（Mi 5）、紅米Note2（Redmi Note 2）、華為榮耀6（Honor 6）。這三款手機囊括了市面上常見的SoC廠商（高通、聯(lián)發(fā)科、華為），均集成了支持OpenCL的GPU；同時，這三款手機均位于1 000～2 000人民幣的區(qū)間，能表現(xiàn)手機ADAS的價格低、實用的特點。

1 安卓應(yīng)用設(shè)計與優(yōu)化

    本文及本應(yīng)用中所使用的車道線檢測算法來自文獻[10，11]，此處不再贅述。選擇上述算法的原因如下：(1)并行性：上述算法主要基于粒子濾波，在預(yù)處理、車道線檢測、車道下跟蹤的過程都可并行化處理；(2)可調(diào)性：該算法對于車道線檢測的準確度可通過粒子濾波的粒子數(shù)、采樣數(shù)等參數(shù)調(diào)節(jié)。在手機上運行時，可以基于手機配置調(diào)節(jié)車道線檢測的精度與效率。在該車道線檢測算法中，包括兩個調(diào)節(jié)參數(shù)：Np,粒子濾波中粒子的數(shù)量；Nc，粒子濾波中重采樣過程中候選線的數(shù)量。通常而言，Np與Nc越大，車道檢測的準確率就越高，但也意味著更高的計算量、更多的計算時間。

1.1 應(yīng)用設(shè)計

    為了對比實驗的需要，需要為本應(yīng)用提供CPU運行模式以及CPU-GPU運行模式。分別表示車道線算法單純運行在手機CPU上；車道線算法通過OpenCL框架，運行在GPU上進行并行加速。

    為了在安卓手機上使用基于C/C++的OpenCL框架，在應(yīng)用開發(fā)時需要使用Java原生接口（Java Native Interface，JNI）。開發(fā)工具包括Eclipse與安卓原生開發(fā)套件（Android Native Develop Kit, NDK）。首先，通過開放計算語言（Open Computing Language，OpenCL）框架與開放計算機視覺（Open Computer Vsion，OpenCV）編寫車道線檢測的C/C++代碼；再使用NDK對其進行編譯；再于編寫安卓應(yīng)用時，通過JNI調(diào)用上述編譯好的C/C++內(nèi)核函數(shù)。在運行該應(yīng)用之前需要安裝OpenCV4Android到手機上，以提供OpenCV的庫文件。對于本OpenCL安卓應(yīng)用運行描述，如文獻[12]所示，應(yīng)用從Java代碼端開始，通過JNI調(diào)用執(zhí)行C/C++代碼，進一步調(diào)用OpenCL框架的函數(shù)，完成初始化過程，再次返回C/C++層進行數(shù)據(jù)的填充，隨后通過GPGPU驅(qū)動交由手機GPU進行計算，最后返回結(jié)果至Java層供進一步使用（主要是在屏幕上顯示）。

1.2 應(yīng)用優(yōu)化

    由于上述車道線檢測算法，主要用于桌面級平臺，將其移植至移動平臺后，針對手機計算能力以及內(nèi)存較小的特點，進行了針對優(yōu)化。

    在OpenCL框架中，工作組大小，亦即數(shù)據(jù)分割程度，與多處理核心的利用率直接相關(guān)^[13]，在本應(yīng)用中，針對各家手機GPU廠商的特點，對工作組大小進行優(yōu)化。其中根據(jù)Imagination與Mali公司的指引，工作組大小為128或256時，能充分利用處理核心的性能^[14-15]。通過實驗，發(fā)現(xiàn)在三款手機中工作組為128與256時，三家廠商SoC的處理時間均較低，而榮耀6在工作組為256時，處理時間反而上升了，如圖1所示。為了兼容更多的硬件，本文選擇128作為工作組大小。

    在手機平臺上，內(nèi)存的大小與帶寬均低于桌面級平臺^[16]。然而，相較于桌面級平臺GPU擁有獨自的內(nèi)存，手機GPU與CPU共享集成在SoC上的內(nèi)存。在桌面級GPU運行OpenCL與CUDA時，將數(shù)據(jù)從主內(nèi)存拷貝到顯卡內(nèi)存進行運算，再將結(jié)果從顯卡內(nèi)存拷貝回主內(nèi)存中，即需要內(nèi)存拷貝操作。為了充分利用手機SoC片上內(nèi)存的特點，通過內(nèi)存映射的機制，即通過“map()”與“unmap()”操作，將部分片上內(nèi)存的擁有者分配為GPU或CPU。通過這種方式，使用內(nèi)存映射而不是內(nèi)存拷貝的機制，將圖片數(shù)據(jù)從CPU的片上內(nèi)存映射到OpenCL的內(nèi)核中，并將OpenCL車道線檢測運算的結(jié)果,映射回CPU，實現(xiàn)零拷貝。在手機上使用內(nèi)存拷貝與內(nèi)存映射機制時處理幀率如圖2所示，圖中，橫坐標為粒子數(shù)Np，縱坐標為幀每秒;對于Np<=2⁹，Nc=2⁹，否則Nc=2¹²。使用內(nèi)存映射機制各幀的處理速度更為穩(wěn)定，并且明顯高于使用內(nèi)存拷貝機制。

    所以本文通過修改合適工作組以及使用內(nèi)存映射代替內(nèi)存拷貝的機制，對上述的車道線檢測算法進行優(yōu)化。

2 實驗結(jié)果

    如上文引言所述，在上述三款手機上，進行了對比實驗。其硬件配置如表1所示，囊括了中國市場上三家SoC廠商的系列：高通驍龍、聯(lián)發(fā)科、華為海思。同時，這也涵蓋了三大手機GPU IP核提供商：高通、Imagination、ARM。同時，這三款GPU都提供了對OpenCL的支持，其中高通Adreno 530完整地支持OpenCL 2.0，Imagination PowerVR G6200支持嵌入式OpenCL 1.2，ARM Mali T628 MP4完整地支持OpenCL 1.1。不同版本OpenCL對于部分數(shù)據(jù)類型有優(yōu)化，此處以O(shè)penCL 1.1版本的特性為準。同時，這三款手機的電池容量也相近。實驗過程中，使用本文實現(xiàn)的基于OpenCL的車道線檢測，對性能與能耗進行比較。

2.1 精確度與幀率

    精確度是車道線檢測的基本要求，該車道線檢測算法使用不同調(diào)節(jié)參數(shù)Np、Nc時對應(yīng)的準確度已經(jīng)在FPGA以及桌面級GPU上已經(jīng)檢測過了^[10]，此處通過判斷不同粒子數(shù)Np下，各手機的車道線檢測幀率是否滿足使用需求。同時，也比較了不同CPU模式以及CPU-GPU模式(即使用OpenCL框架進行并行加速)下的情況，如圖3所示，圖中，橫坐標為粒子數(shù)Np，縱坐標為幀每秒；對于Np<=2⁹，Nc=2⁹，否則Nc=2¹²?？梢园l(fā)現(xiàn)，在最高效果Np=8×2⁹，Nc=2¹²時，在CPU-GPU模式下，除了紅米Note2約30 fps以外，另外兩款平臺均在40 fps以上，幀率最多降低了33%；而CPU模式均明顯低于20 fps，幀率降低了約67%。對于沒有使用GPU并行計算的GPU模式而言，下降十分顯著。可見OpenCL并行計算框架在高計算量時，加速效果十分顯著。此外，Np=2⁷，Nc=2⁹時，能滿足日常使用需求^[10]，此時，CPU模式與CPU-GPU模式處理速度均在40 fps以上。故該車道線檢測應(yīng)用在滿足精度要求的情況下，仍然能夠高速地運行，同時，使用OpenCL并行加速的CPU-GPU模式能在高精度要求的情況下高速運行。

2.2 能耗統(tǒng)計與分布

    若使用手機ADAS進行駕駛輔助耗電量很大的話，用戶無法忍受下車的時候手機電量所剩無幾，所以該車道線應(yīng)用對續(xù)航的影響是個很重要的問題。對此，對本車道線檢測應(yīng)用進行了電量消耗測試。為了盡可能地控制變量，如上文所述，本文選擇的三款平臺電池容量相當，約3 000 mAh。考慮到電池老化問題，選擇了三臺全新的手機進行實驗。為了模擬在車上使用本手機ADAS應(yīng)用進行車道線檢測的環(huán)境，通過屏幕播放行車記錄儀的數(shù)據(jù)，分別使用三臺手機分別在CPU模式下、CPU-GPU模式下，使用手機攝像頭獲取圖像進行車道線檢測，并記錄電池使用時間。實驗過程中無其他后臺程序，車道線檢測參數(shù)為Np=2⁷，Nc=2⁹，同時三臺手機屏幕的亮度均調(diào)至最高。其運行結(jié)果如圖4所示，能發(fā)現(xiàn)，基本上都能在屏幕亮度最高的情況下使用2.5 h以上。同時，使用OpenCL加速在高通驍龍與華為海思兩款SoC上增加0.5 h使用電量，而對于紅米Note2兩個模式的電池使用時間都較為接近。

    其中，三款手機兩個模式下的能耗分布如表2所示，數(shù)據(jù)來源于安卓系統(tǒng)提供的電池使用情況。能夠發(fā)現(xiàn)，使用OpenCL框架進行并行計算的CPU-GPU模式，應(yīng)用所消耗電量低于單純使用CPU計算的CPU模式。即，在本車道線檢測應(yīng)用中，使用OpenCL框架加速，也能降低電量的使用。在實際車上應(yīng)用該手機ADAS時，還可以通過降低屏幕亮度以及使用車載電源充電的方式，延長電池使用時間，保障手機用戶的體驗。

3 結(jié)論

    本文在安卓平臺上使用了OpenCL框架，實現(xiàn)了車道線檢測的手機ADAS應(yīng)用。根據(jù)三款支持OpenCL框架的手機的實驗結(jié)果，手機能提供足夠計算性能以及續(xù)航能力用于車道線檢測。如今移動安卓手機已經(jīng)集成了高性能的SoC以及高分辨率的相機，十分適合基于視覺的ADAS手機應(yīng)用。市面上也有部分雙攝像頭的手機，未來或許可應(yīng)用基于雙目視覺的ADAS應(yīng)用。不僅如此，隨著支持Tensorflow深度學(xué)習(xí)框架的驍龍835的上市，手機上將有更多支持深度學(xué)習(xí)的硬件集成。在不久的將來，將可以看到基于深度學(xué)習(xí)的ADAS應(yīng)用運行在手機上。

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作者信息:

朱  笛，張文權(quán)，蔡  行，黃  凱

（中山大學(xué) 數(shù)據(jù)科學(xué)與計算機學(xué)院 無人系統(tǒng)研究所，廣東 廣州510006）