基于Blackfin的無線IP視頻監(jiān)控解決方案

在當前的國際金融危機下，視頻監(jiān)控是少數(shù)逆市增長的行業(yè)之一。市場調研機構ABI Research預測，2009年將有兩類電子產(chǎn)品持續(xù)快速增長，其中就包括視頻監(jiān)控，特別是基于IP的視頻監(jiān)控應用。據(jù)iSuppli公司預計，與視頻監(jiān)控應用緊密相關的中國安防產(chǎn)業(yè)到2012年的營收將從2007年的151億美元增長到247億美元。

事實上，2008年全球視頻監(jiān)控市場銷售額實現(xiàn)了30%至40%的增長，這主要得益于數(shù)字視頻監(jiān)控技術的不斷成熟和政府對平安城市建設等相關產(chǎn)業(yè)的投資拉動。傳統(tǒng)視頻監(jiān)控設備集中于金融、交通、公共設施等行業(yè)市場，隨著監(jiān)控設備的價格門檻越來越低，特別是無線IP視頻的規(guī)?；瘧?，未來監(jiān)控系統(tǒng)將逐步擴展到各行各業(yè)乃至家庭用戶。

當前3G移動通信網(wǎng)絡已經(jīng)在全球主要國家大面積部署，同時WiFi熱點日益普遍，基于無線寬帶的IP視頻監(jiān)控應用即將呈現(xiàn)井噴之勢。無線IP視頻監(jiān)控網(wǎng)絡構建靈活而方便，可提供平安城市、應急指揮、環(huán)保監(jiān)控、中小企業(yè)監(jiān)控、家庭監(jiān)控等面向不同目標用戶的貼身解決方案。

目前，包括億維東方、合肥優(yōu)視等國內領先的視頻監(jiān)控設計方案提供商都將無線視頻監(jiān)控產(chǎn)品作為2009年的重點方向之一。此外，除了無線應用的增長發(fā)展趨勢外，隨著監(jiān)控應用的規(guī)?；途W(wǎng)絡化，智能化將是視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的另外一個必然趨勢。具有智能分析功能的新一代監(jiān)控系統(tǒng)將大大擴展視頻監(jiān)控的應用領域，除了傳統(tǒng)的安防應用外，人體行為(脫崗檢測、徘徊檢測)和智能交通將開辟大量的新興應用市場。

Blackfin解決方案滿足無線應用更高功能和性能要求

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控應用以行業(yè)用戶為主，采用MCU+ASIC方案，這類視頻監(jiān)控應用通常實現(xiàn)低分辨率的視頻信號處理、基本控制和數(shù)據(jù)傳輸，圖像質量較差，功能較單一。隨著視頻監(jiān)控技術的進步以及應用需求的增長，更高的視頻體念、無線IP連接和智能分析功能發(fā)展趨勢使這類應用方案正面臨性能捉襟見肘的尷尬。

無線傳輸與有線傳輸最大的差別是無線網(wǎng)絡帶寬不穩(wěn)定，基于DSP的方案采用軟件的實現(xiàn)方式，可以根據(jù)帶寬調整視頻的大小、碼流、幀數(shù)等，針對無線信道特點優(yōu)化視頻壓縮算法，因此無論網(wǎng)絡情況如何，都可以保障視頻的流暢，不像采用MCU+ASIC方案所常見的馬賽克和斷幀的現(xiàn)象。無線應用通常由于環(huán)境更為多樣化，無線模塊本身也是功耗消耗以及散熱的大戶，甚至有些移動應用是電池供電，對處理器的低功耗有很高的要求。MCU+ASIC(或MCU+DSP)的雙處理器芯片架構決定了其功耗對于無線特別是移動無線應用相對較高。

此外，隨著技術的進步，基于IP的視頻監(jiān)控逐漸向包括高清特性的更高視頻體驗的趨勢發(fā)展，而其結果是更復雜的算法，以及對主芯片的處理能力提出更高的要求。傳統(tǒng)的監(jiān)控攝像機基于像素分辨率為CIF格式，壓縮標準復雜度低，從而對主芯片的處理性能要求不高。但是隨著IP視頻監(jiān)控的迅速發(fā)展以及相關視頻標準的進步，人們期待更高的圖像清晰度和更高的幀率，如D1（704×576）或者更高的清晰度。同時，隨著無線IP視頻監(jiān)控的流行，還需要考慮如何在傳輸過程中占用更少的帶寬，因此MPEG4和H.264正在成為主流。而這些更高的視頻信號分辨率和壓縮格式大大提高了對核心處理器的處理能力的需求。而傳統(tǒng)的MCU+ASIC的方案要實現(xiàn)更高清晰度的視頻，通常必須增加協(xié)處理器。

此外，人臉識別、運動物體主動追蹤、人流統(tǒng)計等多種智能功能已開始逐漸廣泛商用。對于這類需要智能圖像分析的特定應用來說，傳統(tǒng)解決方案無法完成視頻分析所需要進行的大量運算處理，必須在MCU+ASIC之外增加協(xié)處理器，這種復雜的解決方案無論是BOM成本、功耗還是開發(fā)難度都不足取。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化和分布式處理的要求，以及大規(guī)模工程安裝對成本、體積和功耗的限制和非標準化的智能視頻分析，使得具有軟件設計的靈活性和具有強大處理能力的DSP具有更明顯的優(yōu)勢。

然而，單純的DSP處理器雖然具有非常靈活的處理方式，圖形處理功能也比較強大，但由于這類器件通常采用傳統(tǒng)的信號處理架構，而并非為視頻監(jiān)控而優(yōu)化設計，因而通常會占用較多的系統(tǒng)資源，對于一些控制功能要求較高和碼率較高的場合同樣缺乏競爭力。

而以Blackfin為代表的匯聚處理器有效地解決了上述問題，為音視頻標準不斷變化以及算法不斷改進的無線IP視頻監(jiān)控應用和智能視頻監(jiān)控應用帶來福音。Blackfin處理器基于由ADI和Intel公司聯(lián)合開發(fā)的微信號架構(MSA)，它將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。這種特征的組合使得Blackfin處理器能夠在信號處理和控制處理應用中均發(fā)揮出色的作用，兼具MCU和DSP的優(yōu)點，極大地簡化了硬件和軟件設計實現(xiàn)任務?；贐lackfin處理器的方案利用軟件來實現(xiàn)視頻壓縮算法，這使得制造商能夠在不變更硬件的情況下適應不斷發(fā)展的標準、不同客戶的需求，以及滿足新型功能要求。

Blackfin處理器代表著新的16/32位嵌入式處理器，其獨特的架構和內置的4個8位視頻ALU以及針對視頻應用定義的獨特指令都能非常高效地處理業(yè)界標準視頻算法，非常適合無線IP視頻監(jiān)控這類需要匯聚處理能力的應用。Blackfin的幾十個DMA通道和可靈活配置的高速緩存很好地滿足了視頻監(jiān)控系統(tǒng)對大運算量、高數(shù)據(jù)吞吐率的要求，十級流水線使得Blackfin有很強的指令并行執(zhí)行能力。此外，Blackfin支持ThreadX、Nucleus、uCOS-II和uCLinux等十多種嵌入式操作系統(tǒng)，為客戶提供了熟悉的軟件架構基礎。Blackfin為高強度、高數(shù)據(jù)率的數(shù)字和媒體處理做了專門優(yōu)化，是理想的視頻處理器，具有極高的性價比。

此外，它的低功耗特性非常適合體積小巧的IP攝像頭，以及對功耗非常敏感的電池供電或移動無線IP視頻監(jiān)控應用。Blackfin處理器采用了多種節(jié)能技術：基于一種選通時鐘內核設計，可按照逐條指令來選擇性地切斷功能單元的電源；支持多種針對所需CPU動作極少期間的斷電模式；Blackfin處理器支持一種自含動態(tài)電源管理電路，借助該電路即可對工作頻率和電壓進行獨立控制，以滿足正在執(zhí)行的算法的性能要求；大多數(shù)Blackfin處理器都提供片上內核穩(wěn)壓電路，并可在低至0.8V的電壓下工作。而Blackfin獨特的匯聚式處理架構、90nm工藝等打下了其領先的低功耗處理的基礎，可以為無線IP視頻監(jiān)控產(chǎn)品提供最佳的性能功耗比。

值得一提的是，無論是CDMA還是3G模塊，相比有線網(wǎng)絡而言，無線信道帶寬都較窄，碼率較低。而低碼率的視頻編碼器性能是一個最大的挑戰(zhàn)。在目前市面上的DSP、SoC、ASIC等方案中，盡管可支持D1甚至720P等大尺寸高碼流壓縮的方案很多，卻鮮有可支持低碼率（幾十至幾百Kbps）條件下的高質量視頻編碼器或軟件庫。而ADI很早就開始這方面的工作并獲得用于實際產(chǎn)品的算法成果，已經(jīng)支持第三方基于Blackfin成功地開發(fā)出了完整方案。

典型應用案例分析

應用案例一：合肥優(yōu)視科技3G無線視頻監(jiān)控產(chǎn)品方案

合肥優(yōu)視嵌入式技術有限責任公司（簡稱合肥優(yōu)視科技）的BVWVS2007 3G無線視頻監(jiān)控方案是該公司的成熟產(chǎn)品，該方案提供了豐富的功能特性，是無線視頻監(jiān)控攝像機等產(chǎn)品的完整、成熟的解決方案，該方案采用了性能強大的雙內核ADSP BF561處理器。

隨著并行處理的優(yōu)勢越來越明顯，多核架構已經(jīng)成為業(yè)界公認的未來嵌入式處理器的主流，而BF561就是這樣的典范，該處理器目前已經(jīng)成為包括無線IP視頻監(jiān)控等中高端應用的廣泛選擇。BF561具有兩個高性能DSP內核、靈活的高速緩存架構，以及增強的DMA子系統(tǒng)，適合執(zhí)行復雜的控制和信號處理任務，同時保持高速的數(shù)據(jù)吞吐率。此外，Blackfin處理器的動態(tài)電源管理能力顯著降低整個功耗——這對采用BVWVS2007方案的電池供電產(chǎn)品來說非常重要。BF561處理器使合肥優(yōu)視的BVWVS2007方案實現(xiàn)了可變分辨率及目標跟蹤等高級特性，同時由于高性能及高集成度，在材料清單成本上也極具吸引力。在該方案中，BF561的雙內核分別用于實現(xiàn)運行uClinux嵌入式操作系統(tǒng)、用戶交互控制和視頻編碼算法等，該方案在CIF分辨率下利用H.264編碼實現(xiàn)了兩路視頻壓縮編碼，實現(xiàn)了雙碼流，一路低碼流用于無線視頻傳輸，另一路高碼流則本地存儲到SD卡/NAND/SATA硬盤，充分發(fā)揮了該處理器的雙核性能優(yōu)勢。在無線視頻監(jiān)控這樣典型的窄帶傳輸應用系統(tǒng)中，Blackfin的H.264 編碼器在30~100kbps的低碼流下所表現(xiàn)出來的優(yōu)異的圖像壓縮效果，是目前最核心的競爭力。

對于大批量的中端視頻安全監(jiān)控市場，性價比是最關鍵的因素。BF561處理器在強大的單芯片上實現(xiàn)了雙內核的數(shù)字信號處理與控制處理的完美結合，不僅滿足了產(chǎn)品的性能目標，同時也提高了解決方案的性價比。目前，該公司可以針對客戶的需求提供多種成熟的無線視頻監(jiān)控方案，包括針對單路CDMA、EV-DO、EDGE、TD-SCDMA、WCDMA以及WiFi無線局域網(wǎng)的H.264視頻監(jiān)控的完整方案以及4路的公交車移動監(jiān)控DVR/DVS系統(tǒng)方案等。隨著中國的視頻安全監(jiān)控市場的需求不斷增長，合肥優(yōu)視的BVWVS2007方案可以幫助中國無線視頻監(jiān)控制造企業(yè)快速引進基于Blackfin處理器的成熟穩(wěn)定的先進產(chǎn)品方案。

圖1：合肥優(yōu)視基于ADSP BF561的系統(tǒng)解決方案框圖。

合肥優(yōu)視科技有限公司市場經(jīng)理黃寧：“Blackfin處理器使合肥優(yōu)視科技的產(chǎn)品實現(xiàn)了可變分辨率及目標跟蹤等高級特性，并在單芯片上提供了無線視頻監(jiān)控所必需的H.264視頻壓縮編碼、雙碼流、傳輸和存儲，同時由于高性能及高集成度，在材料清單成本上也極具價格吸引力。”