靈活的視頻監(jiān)控/安全系統(tǒng)實現(xiàn)方案———靈活的視頻監(jiān)控/安全系統(tǒng)實現(xiàn)方案

　視頻監(jiān)控和安全行業(yè)正在經歷著一場巨大的變革，正在從傳統(tǒng)的模擬閉路電視攝像機向基于邏輯的數(shù)字攝像機的方向發(fā)展。更高的視頻分辨率、圖像信號處理、先進的視頻分析、多攝像系統(tǒng)和數(shù)字視頻壓縮的發(fā)展趨勢推動了這一轉變。其結果是，在視頻監(jiān)控攝像機和數(shù)字視頻錄像機(DVR)設計中出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn)，包括增加使用CMOS傳感器、網絡IP攝像技術、增加系統(tǒng)的集成功能、更小尺寸的外形因子、采用先進的編解碼器以及增加DSP功能。 　　由于視頻監(jiān)控/安全市場的多樣性和競爭性，制造商往往很難在他們自己的產品中添加差異化的功能，使其產品有別于競爭對手的產品。因此，相似的攝像機和DVR產品非常普遍。然而，上面提到的趨勢為視頻安全/監(jiān)控原始產品制造商創(chuàng)造了新的機會，可以實現(xiàn)產品的差異化。

　　滿足這些應用的要求需要額外的處理能力。目前的數(shù)碼攝像機利用DSP芯片、專門的ASSP或ASIC來提供處理功能，但這些方案存在一些挑戰(zhàn)。采用DSP芯片經常會出現(xiàn)性能瓶頸，因為這些芯片通常用串行方式處理圖像信號處理任務。ASSP可能提供更多的性能，但往往是以設計的靈活性為代價。ASIC有更多的性能優(yōu)化，但產量不夠大，無法驗證ASIC開發(fā)所需的費用和時間。設計人員需要一種靈活的方法，針對不同的細分市場提供從低端攝像機/DVR到高端應用所需的計算能力。

　　實現(xiàn)方案的選擇

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)可分為兩大類：攝像系統(tǒng)和DVR系統(tǒng)。攝像系統(tǒng)可整合單個攝像機或多個攝像機。有些系統(tǒng)則整合了DVR與單個攝像機或多個攝像機。

圖1：多攝像機的DVR視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖。

　　圖 1是一種通用的多攝像機的DVR視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻源來自CMOS視頻傳感器、CCD視頻傳感器或模擬視頻源。專有的視頻接口將輸入視頻流轉換成普通的格式，然后對不同的視頻流(以及音頻)進行多路復用,在圖像信號處理單元進行預處理。視頻預處理的目的是降低噪聲和消除像素缺陷。

　　視頻分析技術應用于檢測在預定義畫面中的運動。這個運動檢測輸出可減少所需的存儲容量。在一些視頻監(jiān)控應用中，視頻分析是必需的，如人/車統(tǒng)計、汽車的車牌號碼識別和/或人臉識別。

　　一個典型的具有多個攝像機視頻源的視頻監(jiān)控系統(tǒng)總是會生成大量的數(shù)據，因此減少所需的存儲容量非常重要。MPEG-4、H.264、和MJPEG被用來減少所需的存儲容量。H.264是一種針對視頻監(jiān)控應用的流行壓縮算法，因為它能以相當?shù)偷谋忍芈?只有MPEG-2或MPEG-4第2部分一半或更低的比特率 )提供良好的視頻質量的功能。

　　經過壓縮后的數(shù)據通過硬盤驅動器接口存儲至視頻存儲服務器，或通過以太網網絡發(fā)送。視頻數(shù)據傳送到顯示器之前通常是取自硬盤驅動器，并經過了解碼以及一些圖像后處理，如縮放、色彩空間轉換或覆蓋應用。通常情況下，存儲器接口(如DDR2)是用來存儲視頻幀。此外，某些系統(tǒng)要求視頻內容的實時加密以確保安全和源/用戶身份驗證。最后，需要用處理器控制和協(xié)調/排定各種不同的任務。

圖2：根據吞吐量、靈活性、批量和形狀因子要求進行選擇的步驟。

　　圖 2說明了系統(tǒng)的要求，如吞吐量、靈活性、預計批量和形狀因子是如何推動不同的實現(xiàn)技術和器件的。對于低數(shù)據吞吐量的要求，DSP處理器是最節(jié)省成本的器件。然而，產品壽命期間的預計批量以及硬件的靈活性會大大響設計者在ASIC/ASSP和FPGA器件之間作出選擇。如果是硬件靈活性低的系統(tǒng)要求和預計有大的批量，設計者則青睞于ASIC/ASSP解決方案；而對于硬件靈活性高的系統(tǒng)要求和較小的預期批量，設計者青睞FPGA解決方案。常見的小型視頻監(jiān)控攝像機有小尺寸的要求，設計者青睞采用非易失性FPGA ，因為它們不需要額外的外部非易失性配置存儲器件。

　　系統(tǒng)集成組合了不同器件的優(yōu)勢：DSP處理器有時集成了ASSP IP模塊，ASSP/ASIC有時集成了處理器，F(xiàn)PGA有時集成了硬處理器和硬IP核。

　　對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)(圖1)，由于這些任務的時序性質，用DSP處理器可以有效實施視頻分析功能和處理器塊。然而在有些情況下，F(xiàn)PGA的加速功能有助于進行一些視頻分析功能，如運動檢測、面部識別等。

　　如圖1所示的H.264編碼器是一個要求高吞吐量、硬件靈活性低、大且復雜的功能塊，通常是用ASSP或ASIC來實現(xiàn)，以獲得小尺寸的解決方案。

　　但是ASIC和ASSP帶來了高昂的非重復性工程費用成本，除非批量非常大。如果只有一小部分用戶使用特殊的功能模塊，那么FPGA解決方案可提供更好的回報。對于ASIC和ASSP，這些器件有限的功能和固有的不靈活性，不允許在設計完成后根據市場的要求改進或添加新的功能。FPGA卻能提供廣泛的功能和高度的靈活性。

　　具有下列要求的視頻監(jiān)控系統(tǒng)模塊將受益于FPGA的靈活性:(1)這視頻和音頻接口以及多路復用器需要硬件的靈活性，以支持不同的攝像機和不同數(shù)目的攝像機。(2)DDR接口必須支持不同的存儲器總線寬度和不同的DDR標準。(3)支持各種圖像信號處理算法 (二維FIR濾波器、二維中值濾波器、縮放、邊緣檢測、伽瑪校正、alpha混合、白平衡、鏡頭陰影校正、缺陷像素校正、去馬賽克、逐行掃描，彩色空間校正等)，在一個特定的視頻監(jiān)控攝像機實施方案中可能需要各種算法的子集。這些算法結構的有效實現(xiàn)取決于吞吐量的要求，而吞吐量的要求又取決于系統(tǒng)中攝像機的數(shù)量和視頻標準采樣率。(4)在視頻監(jiān)控攝像系統(tǒng)中并非總是需要硬盤驅動器接口和以太網接口，但可作為選擇方案。(5)并非總是需要顯示器接口，當需要它時，有很多不同的可以實現(xiàn)的顯示器接口可供選擇。(6)只在某些系統(tǒng)中需要加密和認證。根據不同視頻格式的不同的吞吐量要求，以及在一個特定的監(jiān)控系統(tǒng)中不同的攝像機數(shù)量，最佳加密和認證系統(tǒng)可能需要不同的尺寸最優(yōu)的實現(xiàn)架構。

　　許多網絡IP攝像機受到了非常緊湊的外形、功耗和成本的制約，特別是嵌入式攝像機/DVR系統(tǒng)。采用非易失FPGA作為一種解決方案能解決這些問題，并獲得FPGA的傳統(tǒng)優(yōu)勢。

　　利用FPGA實現(xiàn)產品差異化

　　采用FPGA實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，包括FPGA加速DSP處理的功能。非易失性FPGA可以使FPGA在視頻監(jiān)控攝像系統(tǒng)實現(xiàn)中更具吸引力，特別是對移動/交通運輸系統(tǒng)中使用的嵌入式攝像機/DVR系統(tǒng)來說。這些系統(tǒng)對便攜性、功耗和電路板面積有嚴格的要求。

　　這些應用對靈活性和可擴展性也有很高的要求，但前提是不能降低對功耗、電路板面積和便攜性的要求。例如，一些網絡IP攝像系統(tǒng)有多個攝像機和傳感器，即使電路板面積非常有限，也必須提供多個視頻流的通道。其它網絡IP攝像機往往采用非常小的外殼，電路板接近MicroSD卡的大小，這種系統(tǒng)的原始設備制造商所面臨的挑戰(zhàn)是用盡可能少的芯片實現(xiàn)多個系統(tǒng)，同時還能滿足功能、外形和低功耗的要求。

　　非易失性FPGA解決方案，如 LatticeXP2器件系列把基于SRAM FPGA的性能和靈活性，與非易失Flash技術固有的優(yōu)點結合在一起。LatticeXP2系列在安全和監(jiān)控應用方面有許多特點，包括該芯片支持 DDR/DDR2、針對低成本顯示器的7:1 LVDS接口以及18×18位乘法的DSP模塊，這些對在視頻監(jiān)控應用中經常需要的圖像信號處理功能特別有用。當LatticeXP2-5和 LatticeXP2-8器件與低成本芯片級封裝在一起時， LatticeXP2非易失FPGA器件系列為原始設備制造商提供很多價值，特別當設計緊湊的網絡IP攝像機時。

圖3：LatticeXP2非易失器件系列具有低成本的封裝。

　　本文小結

　　對于大量的各種視頻監(jiān)控攝像機和DVR的應用，F(xiàn)PGA所具有硬件靈活性、并行處理能力以及零非重復性工程費優(yōu)勢。采用非易失FPGA不再需要外部引導芯片 PROM，可以構建一個提供瞬時啟動功能的單芯片解決方案。帶有片上密鑰存儲并支持內置的AES 128位加密技術的特性為保護FPGA編程位流、防止外部篡改提供了安全保障。許多安全攝像系統(tǒng)解決方案，包括嵌入式攝像機/DVR系統(tǒng)，都能從傳統(tǒng)的基于SRAM的FPGA中受益，但當功耗、電路板面積、成本和集成度特性非常重要時，非易失FPGA是一個更具吸引力的替代方案。