装有芯片的摄像头到底有多智能?

   一片小小的人工智能视觉芯片能做什么?无人驾驶汽车主动识别并避让行人、摄像头实时甄别在逃犯……这些影视作品中的情节,或许不久将可通过基于嵌入式人工智能视觉芯片的“解决方案”成为现实。

  人工智能芯片被视为未来人工智能时代的战略制高点。在视觉感知领域,人工智能视觉芯片正逐步应用于智能手机、安防监控、自动驾驶、医疗成像和智能制造等领域。

  可根据AI需求成像

  纵观信息产业发展历程,从个人电脑时代到移动互联网时代,承载高性能计算的芯片决定新型计算平台的基础架构和发展生态,并掌握着产业链最核心的话语权。

  中国科学院院士张钹指出,传统硬件架构难以满足人工智能时代深度学习的要求,新的算法需要新的硬件来支撑。同时,芯片的结构将越来越像“大脑”,类脑芯片、智能芯片等将是人工智能的发展方向。

  “所谓视觉芯片,实际上是一种具有高速图像采集和实时图像处理功能的片上集成系统芯片。”中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员吴南健介绍说,在日前举办的国家自然科学基金优秀成果北京对接会上,吴南健带领研究团队展示的新型视觉芯片(VisionChip)科研成果很是引人注目。

  据介绍,这种视觉芯片集成高速图像传感器和大规模并行图像处理电路,能够模仿人类视觉系统视觉信息并行处理机制,解决现有视觉图像系统中数据串行传输和串行处理的速度限制瓶颈问题。

  吴南健解释说,人工视觉的架构分两部分,类似于人的眼睛和大脑。人的眼睛是一个典型的图像传感器,能够摄取图像并且进行一些噪音去除等初级图像处理;人的大脑神经元网络是一个视觉图像处理系统,具有非常强的对所摄取的视觉信息进行并行处理的能力。

  AI视觉芯片与摄像头的关系是——芯片做的是大脑,摄像头做的是眼睛。这里就存在一个问题:大脑该如何控制眼睛?远望智库人工智能事业部部长、图灵机器人首席战略官谭茗洲解释道,传统的技术方法是定义一个通信控制接口,但在视觉应用中这种做法会非常复杂。人眼的成像是非常聚焦的,只看到关注的东西。当AI算法解决了“要看什么”的问题后,前端成像就有了目标,可以把所有的资源都调配到关注的对象上,做到“指哪打哪”,也就是取出噪音的处理过程,可以更高效智能地处理视觉信息。这种根据AI的需求来成像,能解决很多以前解决不了的问题。

  “通常以前处理的方式,是通过摄像头把信息摄录,传到服务器或云端后,利用服务器上的显卡进行运算,现在是将视觉芯片嵌入摄像头,让其本身可以处理信息,做成专用芯片,如果芯片大批量生产,在价格上会便宜非常多,极大降低成本。这就是目前这项技术突破的核心价值。”谭茗洲在接受科技日报记者采访时指出。

  比人类视觉更具优势

  在我们通常的印象中,一个视力正常的人可以迅速且毫不费力地感知世界,甚至可以详细生动地感知整个视觉场景;但其实这只是一个错觉。

  “人类生理视觉有着天然的局限,只有投射到眼球中心视觉场景的中间部分,我们才能看清楚。比起人眼来,嵌入视觉芯片的机器将具备相当多的优势,因为可以传感更宽的频谱范围、更高的清晰度、更宽的视角,其视力远不止5.0,在夜间也可以看得很清楚。如同AlphaGo战胜‘围棋天才’一样,在某些应用场景,其视觉在准确性、客观性、稳定性等方面都要比人类视觉更具优势。”谭茗洲指出。

  吴南健介绍说,目前,国内外在人工视觉芯片领域的研究主要是CMOS图像传感器芯片技术、并行图像处理技术和CMOS集成技术。在CMOS图像传感器领域,国际技术水平朝着高分辨率、宽动态范围、高帧率、高智能化、宽波长范围和三维成像的方向发展。人工视觉系统芯片能够完成图像获取和初级(图像滤波)、中级(特征提取)、高级(特征识别和不规则处理)3个图像处理步骤。

  “视觉芯片关键要解决运行效率和处理3D影像这两个问题。以往视觉芯片处理信号面临的最大问题是因运算量太大导致处理信息速度低,以及摄取的照片是把三维世界‘压缩’成二维影像,在一张平面上已分不清物体距离远近、立体空间形状、空间位置等,而人眼可把这个还原。”谭茗洲表示。

  记者了解到,新型人工智能视觉系统芯片,是将高速CMOS图像传感器、并行信号处理单元和输出电路集成于单一芯片内,实现实时视觉芯片系统。将不同功能的技术集成在一个芯片上有很多优势,实现图像获取和图像信息处理每秒一千帧的系统速度,可广泛应用于高速图像处理、快速图像识别解释、高速运动目标的实时追踪等领域。

  谭茗洲指出:“目前,中科院设计的新型视觉系统芯片理念非常先进,仿照人类视网膜神经元机制设计,感光对信号的处理方式,拣取有用的信号进行处理,极大地减少了运算的体量。”

  未来市场空间巨大

  “以我个人的观点,视觉系统芯片会成为必然的趋势,就像手机和相机结合成就智能手机一样,目前在技术上已突破填充率低、分辨率低和信号干扰严重的难题,将科研成果转化并投放市场只不过是时间问题。”吴南健表示。

  记者了解到,目前基于该技术的产成品已经试用于一些创新企业,比如在工业产品的自动化检测领域完全可以使用视觉系统芯片代替人工检测;在智能监控领域,过去需要将视觉处理芯片装在具有传感器技术的摄像头上,通过把数据结构化、再压缩送到数据中心的复杂方式完成数据传输和计算。

  那么,视觉系统芯片如果在未来实现产业化,其市场空间有多大?据推算,2018年,图像传感器的市场规模在150亿美元左右,虽然其中120亿美元发生在智能手机领域,但未来发展比较快的4个领域是安防、国防、汽车、医疗,到2021年将会迎来40亿美元的市场空间,年增长率约10%—20%。

  “视觉处理器的需求增长会更快,目前该市场的整体规模(包括硬件、软件、服务)在170亿美元至180亿美元,单从硬件来看也占到约30亿美元。如果视觉系统芯片可以覆盖70亿美元的市场规模,企业在这中间拿到1%的话,其盈利空间就已经很大了。”吴南健指出。

  近年来,国内外一批新型人工智能企业,依托人工智能领域技术和算法优势向芯片行业渗透,加强人工智能芯片基础层研发。从市场格局来看,已经发展成为一个相对独立又相互依存的产业生态。在前端,索尼是图像传感器市场、生产和技术的领导者,紧随其后的三星和豪威科技也保持着不错的竞争力;在后端,Mobileye和英伟达(NVIDIA)是提供视觉处理芯片的主要厂商,在国内该领域的公司有地平线等。

  然而,截至目前,尚未有企业实现“图像传感器+视觉处理器”集成式芯片的大规模量产。不管是现在的创业企业,还是已经在市场上占有一定份额的大企业,不是做图像传感器,就是做后端的视觉处理器。正如吴南健所言,这将给初创企业带来机会。 

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“具有执行感知功能(例如感知,学习,推理和解决问题)的能力的机器被认为拥有人工智能。当机器具有认知能力时,就会存在人工智能。 判断AI的基准是涉及推理、语音和视觉是否接近或达到人类水平。”一、入门人工智能弱AI(Narrow AI):当机器可以比人类更好地执行特定任务时。通用AI(General AI):人工智能可以以与人类相同的精度水平执行任何智力任务时达到通用状态。强AI(Strong AI):当AI在许多任务中都能击败人类时,它就是强AI。如今,人工智能已在几乎所有行业中使用,为所有大规模集成人工智能的公司提供了技术优势。麦肯锡认为,与其他分析技术相比,人工智能有潜力创造6000亿美元的零售价值,为银行业带来50%的增量价值。在运输和物流领域,潜在收入增长了89%以上。具体来说,如果企业将AI用于其营销团队,则可以使平凡而又重复性的任务自动化,从而使销售代表可以专注于诸如建立关系,培养领导等任务。企业可以使用AI分析和推荐来制定制胜战略。简而言之,人工智能提供了一种尖端技术来处理人类无法处理的复杂数据。 AI将多余的工作自动化,使工人可以专注于高水平的增值任务。大规模实施AI可以降低成本并增加收入。二、人工智能简史如今,人工智能已成为流行语,尽管这个术语并不新鲜。 1956年,一群来自不同背景的前卫专家决定组织有关AI的夏季研究项目。 四个聪明的人领导了这个项目。 John McCarthy(达特茅斯学院),Marvin Minsky(哈佛大学),Nathaniel Rochester(IBM)和Claude Shannon(贝尔电话实验室)。该研究项目的主要目的是解决“原则上可以精确地描述出学习的每一个方面或智能的任何其他特征,从而可以制造出机器来对其进行仿真”。这次会议的提议包括:1)自动电脑2)如何将计算机编程为使用某种语言?3)神经元网4)自我提升这导致了可以创建智能计算机的想法。 充满希望的新时代开始了-人工智能。三、人工智能类型: 人工智能可以分为三个子领域:1)人工智能2)机器学习3)深度学习四、什么是机器学习?机器学习是研究从示例和经验中学习的算法的艺术。机器学习基于这样的想法,即数据中存在一些已识别的模式,可用于将来的预测。与硬编程规则的区别在于,机器会自行学习以找到此类规则。五、什么是深度学习?深度学习是机器学习的一个子领域。深度学习并不意味着机器学习更多的深入知识;而是意味着机器使用不同的层从数据中学习。模型的深度由模型中的层数表示。例如,用于图像识别的Google LeNet模型有22层。在深度学习中,学习阶段是通过神经网络完成的。神经网络是一种结构,其中各层相互堆叠。六、人工智能与机器学习我们大多数的智能手机,日常设备甚至互联网都使用人工智能。想要宣布其最新创新的大公司通常会交替使用AI和机器学习。但是,机器学习和AI在某些方面有所不同。AI(人工智能)是训练机器执行人类任务的科学。这个术语是在1950年代发明的,当时科学家开始研究计算机如何自行解决问题。人工智能是一台具有类人特性的计算机。它可以轻松,无缝地计算我们周围的世界。人工智能是计算机可以执行相同操作的概念。可以说,人工智能是模仿人类能力的大型科学。机器学习是AI的一个独特子集,它可以训练机器如何学习。机器学习模型会寻找数据中的模式,然后尝试得出结论。简而言之,无需人工对机器进行编程。程序员提供了一些示例,计算机将从这些示例中学习如何做。七、AI都在哪里使用?人工智能具有广泛的应用:人工智能用于减少或避免重复任务。例如,AI可以连续重复任务,而不会感到疲劳。实际上,人工智能永远不会停止,对执行的任务无关紧要。人工智能改善了现有产品。在机器学习时代之前,核心产品是建立在硬编程规则之上的。公司引入人工智能来增强产品的功能,而不是从头开始设计新产品。你可以想到一些社交平台的照片。几年前,你必须手动标记朋友。如今,在AI的帮助下,社交平台给你推荐朋友。从市场营销到供应链,金融,食品加工等行业,人工智能被广泛应用。根据麦肯锡的一项调查,金融服务和高科技通信在AI领域处于领先地位。八、为什么AI蓬勃发展?自90年代以来,随着Yann LeCun的开创性论文出现了神经网络。但是,它在2012年左右开始变得出名。对其受欢迎程度的三个关键因素解释为:1)硬件2)数据3)算法机器学习是一个实验领域,这意味着它需要有数据来测试新的思想或方法。随着互联网的繁荣,数据变得更加易于访问。此外,像NVIDIA和AMD这样的大公司也为游戏市场开发了高性能的图形芯片。1.硬件在过去的二十年中,CPU的功能爆炸性增长,使用户可以在任何笔记本电脑上训练小型的深度学习模型。但是,要处理用于计算机视觉或深度学习的深度学习模型,你需要一台功能更强大的机器。多亏了NVIDIA和AMD的投资,新一代GPU(图形处理单元)才问世。这些芯片允许并行计算。这意味着机器可以在多个GPU上分离计算以加快计算速度。例如,使用NVIDIA TITAN X,需要花两天的时间来为传统CPU训练数周的ImageNet模型。此外,大公司使用GPU集群通过NVIDIA Tesla K80训练深度学习模型,因为它有助于降低数据中心成本并提供更好的性能。2.数据深度学习是模型的结构,而数据则是使其活跃的基础。数据为人工智能提供动力。没有数据,什么也做不了。最新技术已经突破了数据存储的界限。在数据中心中存储大量数据比以往任何时候都更加容易。互联网革命使数据收集和分发可用于馈送机器学习算法。如果你熟悉Instagram或其他任何带有图像的应用程序,则可以猜测它们的AI潜力。这些网站上有数以百万计的带有标签的照片。这些图片可用于训练神经网络模型以识别图片上的对象,而无需手动收集和标记数据。人工智能与数据结合是新的黄金时代。数据是任何公司都不应忽视的独特竞争优势。 AI从你的数据中提供最佳答案。如果所有公司都可以使用相同的技术,那么拥有数据的公司将比其他公司具有竞争优势。举个例子,世界每天创造约2.2 EB,即22亿千兆字节。公司需要异常多样化的数据源,以便能够找到模式并进行大量学习。3.算法硬件比以往任何时候都更加强大,可以轻松访问数据,但是使神经网络更可靠的一件事是开发了更精确的算法。初级神经网络是没有深度统计特性的简单乘法矩阵。自2010年以来,在改善神经网络方面取得了令人瞩目的发现。人工智能使用渐进式学习算法来让数据进行编程。这意味着,计算机可以自学如何执行不同的任务,例如发现异常,成为聊天机器人。九、总结人工智能和机器学习是两个令人困惑的术语。人工智能是训练机器模仿或复制人类任务的科学。科学家可以使用不同的方法来训练机器。在AI时代的初期,程序员编写了硬编程的程序,即键入机器可以面对的每一种逻辑可能性以及如何响应。当系统变得复杂时,很难管理规则。为了克服这个问题,机器可以使用数据来学习如何处理给定环境中的所有情况。拥有强大的AI的最重要功能是拥有足够多的数据,并且异构性强。例如,一台机器只要有足够的单词可以学习就可以学习不同的语言。AI是新的尖端技术。麦肯锡估计,人工智能可以以至少两位数的速度推动每个行业的发展。来源(https://www.toutiao.com/a6769444053370012173/)

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