第515章 专芯专用（1/2）
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1967年10月24日，京城已入深秋。
所里的老槐树，叶子黄了大半，风一吹，哗啦啦往下落，在地上铺了薄薄一层。
主楼顶上的高音喇叭照例在中午播报着最新指示，声音从高处传下来，穿过那些飘落的黄叶，传到右附楼走廊里时已经模糊成一片嗡嗡声，像远处河滩上磨石的声音。
没有人关掉它，也没有人认真在听。
吕辰站在办公室窗前，点了一根烟，慢慢抽着。
键合机的动员会已经过去一个多月。各协作单位的人陆续到位，运动平台、光学系统、材料工艺都在按计划推进。
包康建带着哈工大的人已经在6305厂设备中心搭起了实验台，秦世襄那边显微镜和摄像头的选型也基本定了。
方教授的微波辅助对准方案还在论证，但陈光远说“可以先放一放，主通道走通再说”。
但最核心的问题，对准算法，一直没有定论。
用微程序做图像处理，一张256乘256的图，十几万次操作，把午马机搬出来都扛不住。
用硬件做，怎么设计？架构是什么？数据怎么流动？这些问题，理论组论证了快一个月，方案出了四五版，每一版都被推翻重来。
他把烟掐灭，正准备去自动化控制中心，门被推开了。
诸葛彪站在门口：“陈教授到了，第三会议室。”
“到了？什么时候到的？”
“刚到，钱兰已经过去了。”
吕辰拿起笔记本就往外走，二人来到第三会议室，陈教授已经坐在了主位。
他穿着一件藏蓝色的中山装，领口的扣子系得整整齐齐，头发梳得一丝不苟，花白的鬓角在日光灯下泛着银光。
但吕辰注意到，他眼睑下方有一圈青黑，手指关节处还沾着一点墨渍，大概是熬夜写方案时留下的。
面前摊着厚厚一沓图纸，最上面一张画满了框框和数据流，旁边还放着一个搪瓷缸子，里面泡着茶，茉莉花的香味在会议室里弥漫开来。
钱兰坐在他对面，笔记本已经翻开，手里握着笔，随时准备记。
“陈教授。”吕辰走进去，在钱兰旁边坐下。
陈教授抬起头，看了他一眼，嘴角微微动了一下，算是笑了。
“小吕来了，坐。”他低头看了看表，“设计院的筹备工作、午马机的微程序设计，事情堆在一起，键合机的算法拖了几天。今天咱们把它定下来。”
吕辰心里一喜，设计院在筹备了，这是好事。
陈教授翻开第一张图，那是一张巨大的系统架构图，画满了方框和箭头，用不同颜色的笔标注，每一根线条都画得工工整整。
图纸的边角有几处被橡皮擦过的痕迹，擦得不干净，还留着淡淡的铅笔印，说明改过不止一版。
“键合机对准算法，理论组经过充分论证，总算是敲定了初步方案。”他顿了顿，声音里有一丝疲惫，但更多的是笃定，“我们的方案是，把二维问题变成一维流水线。”
吕辰心里一动，往前倾了倾身子。
陈教授拿起一支铅笔，在图上的空白处画了一个简图。
“如果是用微程序做图像处理，一般的思路是先把整帧图像存到内存里，然后逐像素遍历，做各种计算。这需要大量的存储空间和随机访问。”
他在图旁边写了一行字：整帧存储→逐像素遍历→大量RAM+随机访问。然后划掉了。
“硬件做图像处理的思路完全不同。”
他在
“摄像头输出一行像素，硬件就在这一行上实时处理。不存储整帧图像，只存‘必要的最小状态’。”
钱兰在笔记本上飞快地记着，笔尖沙沙作响。诸葛彪把嘴里那根烟拿下来，放在桌上，身体往前倾，眼睛一眨不眨地盯着图纸。
窗外，一片黄叶被风吹起来，贴在玻璃上，停了两秒，又被吹走了。
陈教授翻开第二张图。那是一张图像预处理的数据流图，左边是一个摄像头图标，右边是一系列方框，箭头从左往右流动。
“第一步，图像预处理。”
他用铅笔指着最左边的图标：“摄像头输出的模拟视频信号，通过ADC转换为数字像素流。假设分辨率256乘256，8位灰度，逐行扫描。每行256个像素，每个像素的灰度值0到255。”
他的手指移到第二个方框。
“用滤波降噪，消除单个像素的随机噪声。硬件实现可以用一个3乘3的滑动窗口寄存器。”
他在图上画了一个3乘3的网格。
“像素流→行缓存→3乘3窗口寄存器→排序网络→输出。行缓存需要存储上一行和上两行的像素，每行256个像素，每个8位，共256乘8乘2等于4096位寄存器。”
吕辰听到这里，举起手。
“陈教授，我插一句。”
陈教授停下笔，看着他。
“您用的是均值滤波？”
“对，均值滤波。”
吕辰摇了摇头：“均值滤波需要乘法器。像素值乘系数，再累加，再除法。乘法器在五微米工艺
他在自己笔记本上画了一个简图，推到桌子中间。
“我建议用中值滤波。中值滤波只需要比较器，不需要乘法器。九个像素的值，找中间那个。比较器比乘法器简单得多，面积小、速度快。”
陈教授盯着那张图看了几秒。
他没有立刻回答。
会议室里安静了两秒，只有日光灯的嗡嗡声。
然后他忽然笑了一下，很轻，像是在对自己说。
“你说得对。我想复杂了。”
他用笔在图纸上改了一笔，把“均值滤波”划掉，写上“中值滤波”。
“排序网络，九个数找中值，用九个比较器搭成排序网络。纯组合逻辑，一个时钟周期就能输出结果。”
钱兰在旁边插了一句：“九个比较器，面积大概多大？”
陈教授想了想：“按你们标准单元库里的比较器来算，八位的，大概几十个门。九个，加上连线，几百个门。可以接受。”
他在笔记本上记了一笔，然后继续往下讲。
“接下来是对比度增强。”
他在图上画了一个新的方框。
“焊盘是金属的，反光强，灰度值高。背景是陶瓷或者塑料的，反光弱，灰度值低。对比度增强就是让这种差异更明显。硬件实现用查找表。输入8位灰度，输出8位灰度。映射关系预先算好，固化在ROM里。”
钱兰立刻接话：“256乘8位的ROM，约2048个存储单元。面积很小，没问题。”
陈教授点了点头，手指移到下一个方框。
“最关键的一步，自适应二值化。”
他在方框旁边写了一行字：把灰度图像变成黑白二值图像（0＝背景，1＝焊盘）。
“为什么不能用固定阈值？因为光照不均匀。芯片中间和边缘的亮度可能不一样，固定阈值会导致中间焊盘能识别、边缘焊盘被漏掉。”
他抬起头，看着三个人。
“所以要用局部自适应阈值。取当前像素周围N乘N区域的灰度均值，以此为阈值。”
他在图上画了一个示意图，一个像素周围围着八个邻居，组成3乘3的区域。
“局部均值的计算不需要乘法器。九个像素的和可以用加法树实现，除以九可以用移位加法近似。”
诸葛彪开口了：“加法树的速度呢？”
“一个时钟周期。”陈教授说，“九个8位数相加，用三级加法树，每级延迟几十纳秒。一兆赫的时钟周期是一微秒，绰绰有余。”
他在纸上算了一下，然后抬起头。
“预处理部分，到此结束。输入模拟视频，输出二值化像素流。全部硬件实现，每一行像素进来，实时处理，实时输出，没有帧延迟。”
他在图纸上画了一条横线，表示第一部分结束。
然后翻开第三张图。
“第二步，特征提取。”
他的声音提高了一些，铅笔在纸上点了几下。
“这是整个算法中最核心、最巧妙的部分。”
吕辰盯着那张图，心跳微微加速。他知道，这才是真正的难点。
陈教授拿起粉笔，在黑板上画了一行二值化的像素：000111110000。
“这一行像素，连续的白像素从第4列到第8列，长度5。我们可以把它压缩成一个线段：start=4,end=8,length=5。”
他在
“硬件实现非常简单，只需要一个状态机加两个计数器。扫描一行像素，遇到从0变1就记录start，遇到从1变0就记录end，输出一个游程。”
钱兰在笔记本上飞快地记着，嘴里小声重复：“状态机加两个计数器。”
陈教授继续往下讲。
“有了游程，下一步是连通域标记。找出哪些游程属于同一个焊盘。”
他在黑板上画了三行像素的示意图，用红笔把重叠的部分圈出来。
“关键观察：当前行的游程和上一行的游程，如果列范围重叠，就属于同一个连通域。硬件实现只需要存储上一行的游程标记结果，每列一个标记。”
诸葛彪皱起了眉头：“每列一个标记？256列，就是256个标记。每个标记需要多少位？”
陈教授想了想：“最多同时有多少个焊盘在一行里？假设焊盘直径10个像素，一行最多二十几个焊盘。用5位标记就够了。256乘5等于1280位寄存器，可以接受。”
他顿了顿，铅笔在纸上点了一下。
“标记的时候有个麻烦，当前行的游程可能同时和上一行的两个游程重叠，那两个游程属于不同的连通域，但被当前行连在一起了。这叫‘等价标记’。”
他在黑板上画了一个“工”字形的例子，然后停顿了一下。
“这个问题，我想了整整一周。”
他的声音很轻，像是在自言自语。会议室里安静了一瞬，三个人都没有说话。
然后他拿起粉笔，在黑板上写了几个字：优先级编码器。
“用优先级编码器做硬件实现。256个prev_bel并行比较，找出第一个非零的。不需要循环，一个时钟周期搞定。”
钱兰道：“这个巧妙。用空间换时间。”
陈教授点了点头，继续往下讲。
“有了连通域标记，下一步是质心计算。”
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