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借助 OpenVX 可视化实现视觉应用优化
Synopsys 高级产物营销经理 Allen Watson
Percepio AB 首席执行官 Johan Kraft
如今，功能强大的视觉处理器可以实现出色的性能，但确保您的解决方案能够有效利用硬件，则要另当别论。实现系统运行时行为的可视化，就有助于加快开发、调试和验证速度。Percepio 开发的 Tracealyzer for OpenVX? 让您能够可视化 OpenVX 应用的执行，并确定哪些瓶颈经过优化能够产生显著效果。 Tracealyzer for OpenVX 适用于 Synopsys DesignWare? ARC? EV6x 嵌入式视觉处理器，同时采用了 ARC MetaWare EV 开发工具包中内置的追踪支持功能。
用于嵌入式视觉的 OpenVX
嵌入式视觉应用通常被写作 OpenVX 图形 (graph)。OpenVX 是加速计算机视觉应用的开放标准，拥有许多嵌入式和实时用例。其中包括面部、身体和手势跟踪，智能视频监控，高级驾驶员辅助系统 (ADAS)，对象和场景重建，增强现实，目视检查和机器人等应用。
OpenVX 图形 (graph) 由一个或多个内核构成。每个内核执行一项视觉功能，内核可以是标准 OpenVX 内核、自定义提供的内核，也可以是用户定义的内核（图 1）。
图 1：OpenVX 图形 (graph)
例如，如果使用诸如 ARC EV6x 处理器之"类的视觉处理器，内核就可以在一个或多个视觉 CPU 或 CNN 引擎上运行（图 2）。处理器基于 OpenVX 的运行时软件能够管理内核的执行并处理存储器的分配和使用。
图 2：EV6x 处理器上基于 OpenVX 的运行时
Tracealyzer for OpenVX
确保尽可能高效地使用处理器硬件可能极具挑战性。例如，OpenVX 图形节点的处理时间可能超过预期，且造成一个芯核过载，而其他芯核在大多数情况下仍处于空闲状态。或者，某种应用可能会耗费大量时间等待 DMA 传输完成。您可能还尝试了通过添加更多计算资源来提高性能，但性能增益却低于预期。为了解决此类问题，Percepio 开发了一款可视化解决方案 - Tracealyzer for OpenVX。
利用该解决方案，您可以确定哪些瓶颈经过优化能够产生显著效果。Tracealyzer for OpenVX 提供了各种图形视图，显示记录行为的各个方面，种类涵盖详细的追踪视图、高级概览和统计视图等多个种类。本文介绍采用 Tracealyzer 工具所呈现的各种视图。
追踪视图
追踪视图显示 OpenVX 图形执行的时间表，以便您详细研究调度、流水线和时序。追踪视图可以通过多种方式进行调整，并支持水平和垂直显示。
例如，我们使用的是 Tracealyzer for OpenVX 提供的演示追踪 (“demo_openvx.xml”)。这是从 OpenVX 演示应用中获得的记录，另外带有追踪视图中的屏幕截图（图 3）。
图 3：OpenVX 演示应用
您会看到运行时软件如何使用两个芯核调度图形 (graph)。芯核 0 读取输入帧并将其提供给 sobel3x3 节点。然后使用 magnitude 和 convert_depth 滤波器在芯核 1 上进一步处理结果。处理是“运行到完成的工作方式”，因此追踪中的每个矩形（片段）都是一个单独的作业，无需抢占运行。滤波器函数的短片段是前置条件检查，长片段则显示实际的滤波器处理内容。
magnitude 节点可能会在 sobel3x3 节点完成之"前开始，因为此示例中的 OpenVX 实现将每个帧划分为几块。一旦完成，一个节点就可能输出多个块并逐个写入输出缓冲器中。因此，假设节点在不同的芯核上运行，那么下面的节点（例如 magnitude）不需要等待整帧完成，而是可以在第一块可用时立即开始。这样就能高效利用芯核进行流水线处理。
图 4：追踪视图
图 4 中的追踪视图由标记为“CPU 0”和“CPU 1”的字段组成。每种字段会显示不同类型的信息。OpenVX 节点在“调度”字段中显示，要么是每个 CPU 芯核占一个字段（左侧示例），要么就是所有节点都在一个字段中（右侧示例）。
CPU 负载图
如需概括了解 OpenVX 应用如何利用 CPU 芯核，请查看 CPU 负载图，该图在垂直模式下显示两次（每个芯核一次）并带有视图（图 5）。CPU 负载图可供您查看 CPU 芯核的总负载，以及负载随时间变化的方式和每个节点导致的负载有多少。
CPU 负载图也可用作概览，方便您从中发现异常。例如，“sobel3x3”节点中的两个峰值（以红色显示）利用率约为 80-90%。您可以通过双击 CPU 负载图，在追踪视图中显示相应的部分，用来查看导致这些峰值的原因。
图 5：CPU 负载图
Tracealyzer 中的所有视图都以类似的方式相互连接，从而便于从高级概览向下提取到详细追踪。彩色标记更容易识别 OpenVX 图形 (graph) 节点。在所有 Tracealyzer 视图中使用统一的颜色编码。也可以打开 CPU 负载图的多个实例，或查看整合在单个 CPU 负载图中的所有芯核。请注意，在这一模式下，CPU 负载逐渐累积，因此两个芯核的负载规模可高达 200%。
CPU 负载图通过将显示的时间窗口划分为多个固定大小的时间区间（默认为 50）执行工作，然后计算每个时间区间内每个节点使用的处理时间量。结果显示为堆叠直方图，其中 Y 轴显示每个时间区间内的相对利用率。由于 CPU 负载的概念始终是相对于某个时间窗口（与您使用的工具无关），因此放大或者缩小参考时间窗口可能会改变 CPU 负载图的量级。放大很多时，大多数时间区间就只包含一个节点，因此图形就会和追踪视图相似。
Actor 实例图
在图 6 中，我们添加了两个 Actor 实例图的实例，其中 Y 轴显示了图形节点的执行时间。这样您就能看到哪里的节点执行时间超过正常水平，并检查追踪视图以了解详情。请注意，“Actor”是 Tracealyzer 术语，表示“执行环境”，对应 OpenVX 中的节点。
图 6：Actor 实例图
除了执行时间之"外，Actor 实例图还可以显示各种时序属性，包括分段和周期性。您可以更改“执行时间”下拉菜单中显示的属性。
Actor 统计报告
“Actor 统计报告”提供了追踪的统计摘要，包括针对时序属性（如执行时间）观察到的最高、最低和平均值。这份报告中的所有极端值都是链接形式，单击这些值即可查找追踪视图中的相应位置（图 7）。
图 7：Actor 统计报告
使用“Actor 统计报告”，您可以找到极值并查看系统中当时发生的情况。虽然报告没有记录所有细节，但您仍然可以调查导致这些值的原因，从而获得有价值的线索。例如，借助 Actor 实例图，您可以在追踪中找到其他执行时间较长的类似情况，并查看这些情况之"间的关联性。也许执行时间较长只是出现在特定情况下，例如，在其他 CPU 芯核上的密集活动导致总线饱和。
请注意，您可以将统计信息报告导出并保存为格式化的 HTML 文件（如上所述）或标签文本文件（图 8）。标签文本文件方便将数据轻松导入到其他工具中，可通过选中“Actor 统计报告”对话框中的“数据导出”选项来完成。这使您可以对替代设计进行测量，并系统地比较最终的性能指标。例如，统计报告显示 IDLE0 占用 40.7% 的时间，表示芯核 0 的负载占用了 59.7%，而 IDLE1 仅占用 17% 的时间，表示芯核 1的负载占用了 83%。
图 8：标签文本文件格式的 Actor 统计报告
用户活动
Tracealyzer 可让您添加自己的用户活动，即从应用代码记录的自定义活动。用户事件可让您直观查看应用中的任何内容，例如诊断消息、变量值和状态。
图 9 显示的示例中，用户活动已记录在两个用户活动通道上，“MyVariable”显示整数变量的值，“MyState”显示状态名称。Tracealyzer 可以通过多种方式显示这样的用户活动。例如，作为追踪视图 (1) 中的活动标签和作为活动日志 (2) 中的条目显示。利用用户活动信号图 (3)，能够绘制用户活动提供的数字数据。
此外，如果系统中有重要的状态变量，则可以在 Tracealyzer 中将该状态更改记录为用户活动并定义状态机，以查看追踪视图时间表 (4) 中的这些状态。还能以状态机图 (5) 的形式查看状态变化摘要。您甚至可以定义“自定义区间”，来了解每个状态花费的时间，或任何两项活动之"间的时间统计信息。
图 9：用户活动
DesignWare EV6x 嵌入式视觉处理器和开发工具
上述示例用例基于 OpenVX 应用，该应用是利用 Synopsys DesignWare ARC MetaWare EV 开发工具包针对 ARC EV6x 处理器而开发。
EV6x 嵌入式视觉处理器集成了一个、两个或四个高性能视觉 CPU，每个 CPU 由一个 32 位标量芯核和一个 512 位矢量 DSP 组成。它们可以包含优化的卷积神经网络 (CNN) 引擎，用于快速准确的物体检测、分类和场景分割。这类处理器完全可编程和可配置，融合了软件解决方案的灵活性和专用硬件的高性能和低功耗等特点。
ARC MetaWare EV 开发工具包提供了一整套工具、运行时软件和库，可通过 EV6x 处理器系列开发嵌入式视觉应用和机器学习应用。该工具包含有 MetaWare 编译器和调试器、ARC nSIM 指令集仿真器 (ISS)、EV 运行时和库、CNN 软件开发套件 (CNN SDK) 和 EV Virtualizer 开发套件 (EV VDK)。
必须快速调试、验证和优化软件，才能高效地开发先进的嵌入式视觉和 AI 应用。Percepio 的 Tracealyzer for OpenVX 可视化工具使设计人员能够使用 Synopsys 的 ARC EV6x 处理器 观察其软件的运行时行为并优化其应用，从而追求理想性能，同时加快 ADAS 和无人驾驶汽车等实时视觉应用的开发周期。
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