面向智能视觉感知系统的高能效处理架构和集成电路

Designs of energy-efficient integrated visual perception systems are important to the realizations of smart robots with the capabilities of active environment sensing and natural interactions. A novel energy-efficient intelligent visual perception signal processing architecture for the typical algorithms combination of image feature extraction and classification has been presented, where the image features were extracted in the analog signal domain with new physical computing integrated circuits, as well as the image features were classified in the digital domain with approximate computing integrated circuits. Accordingly, the performance bottleneck of high-performance ADC and synchronous sequential logic circuits of traditional signal processing has been eliminated. Moreover, for smart robots, the demonstration systems with the presented integrated hardware accelerators of physical computing and approximate computing would be realized, which would be the hardware-software foundation of future multi-mode perception systems for energy-efficient man-robot collaborations.

高能效智能视觉感知集成系统的设计对于智能机器人实现主动环境感知和自然交互具有重要意义。面向智能视觉感知应用中典型的图像特征提取和特征分类算法组合形式，本项目提出新型高能效信号处理架构：在模拟域采用物理计算电路完成对图像特征信息的提取，以及在数字域采用近似计算电路完成对图像特征分类操作；从根本上消除了传统信号处理架构中造成性能瓶颈的高性能ADC和按照时钟节拍处理的同步时序逻辑电路。面向智能机器人领域应用需求，设计完成基于上述关键技术的集成硬件加速器芯片模组和验证演示系统，为未来高能效人-机协同智能多模态感知系统的设计奠定软硬件基础。

高能效智能视觉感知集成系统的设计对于智能机器人实现主动环境感知和自然交互具有重要意义。本项目首先针对目前边缘视觉感知集成电路系统中“模拟-数字”数据转换过程和典型数字信号处理过程的延时、功耗居高不下的性能瓶颈，提出了面向智能视觉感知信号处理的的高能效“模拟-信息”转换信号处理架构的技术体系，解决了在边缘端实现高通量的智能视觉感知任务算法和有限的处理资源，受限的能量供给之间的矛盾，为智能机器人提供边缘端常开型持续智能视觉感知能力。进一步，提出了模拟域物理计算和数字域近似计算的新型计算范式，用于实现上述新型智能视觉集成感知信号处理过程；特别针对新型电路实现中误差补偿和噪声抑制问题，采用智能视觉感知算法和集成电路架构联合设计优化技术，以及面向感知任务实施效果的系统误差校准技术，解决了基于模拟信号处理框架下的集成电路工程实现可靠性和可用性难题，实现了高能效混合信号域边缘智能视觉感知集成电路系统。最后，针对基于常开型智能视觉感知集成硬件的机器人执行持续环境感知任务的系统集成和验证问题，提出了面向智能移动机器人的学习型室内视觉定位和导航算法系统集成技术，解决了采用图像深度学习技术提升智能机器人环境感知精度的难题，实现了基于学习方法的动态场景机器人定位导航演示系统。以上技术的研发为未来高能效人-机协同智能多模态集成智能感知系统的设计奠定软硬件基础。. 本项目成果发表论文26篇，包括集成电路领域顶级期刊IEEE Trans. on CAS-I和Trans. on VLSI，以及顶级学术会议发表论文DAC 2018、IROS 2018和ICCAD 2019；申请中国发明专利9项，目前已经公开4项。本项目相关成果获得全国发明展览会“发明创业奖”金奖，中国国际工业博览会高校展区特等奖和中国高校科技成果交易会最佳路演奖。项目负责人乔飞于2019年分别入选CCF（中国计算机学会）集成电路设计专业组委员和智能机器人专业组委员。