高清視頻監(jiān)控FPGA應用迎來小高峰
摘要： FPGA在視頻監(jiān)控領域的應用空間被迅速打開的主要原因，是以全國“平安城市”項目為代表的大量高清視頻監(jiān)控需求的高速增長，以及當時高清攝像機所必須的ISP芯片ASIC/ASSP還不成熟，給FPGA留出了施展其可編程優(yōu)勢的空間和舞臺。這是FPGA蠶食ASIC市場的一個典型事例。
關鍵字： FPGA應用，視頻監(jiān)控，圖像信號處理
我們知道，通信領域歷來是FPGA應用的傳統(tǒng)主流市場，也是業(yè)界領先FPGA廠商傾力爭奪的大市場。但是從2009年開始，隨著百萬像素高清標準(720p及1080p)在視頻監(jiān)控領域從小眾走向主流，F(xiàn)PGA應用迎來了又一個廣闊的市場空間。
FPGA視頻監(jiān)控應用迅速打開
以全國“平安城市”項目為代表的大量高清視頻監(jiān)控需求的高速增長，以及當時高清攝像機所必須的ISP芯片ASIC/ASSP還不成熟，給FPGA留出了施展其可編程優(yōu)勢的空間和舞臺。
在2009年之前，視頻監(jiān)控還處于標清(D1分辨率，40萬像素)時代，攝像機使用的圖像信號處理(Image Signal Processing，簡稱ISP)芯片，基本被索尼公司推出的一代又一代ASIC芯片組所壟斷。高清監(jiān)控需求的崛起，改變了這種局面，也給FPGA打造了寬闊的施展平臺。所以說，F(xiàn)PGA在視頻監(jiān)控領域的應用，是隨著高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的興起而打開的。具有代表性的是，由于2010年上海世博會的召開，上海浦東世博會高清監(jiān)控項目，需安裝的高清CCD IP攝像機達到1萬多臺。在每臺攝像機中，都需使用FPGA芯片。
FPGA在視頻監(jiān)控領域的應用空間就此被迅速打開，其主要原因是以全國“平安城市”項目為代表的大量高清視頻監(jiān)控需求的高速增長，以及當時高清攝像機所必須的ISP芯片ASIC/ASSP還不成熟，給FPGA留出了施展其可編程優(yōu)勢的空間和舞臺。這是FPGA蠶食ASIC市場的一個典型事例。
總體來說，F(xiàn)PGA在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的主流應用包括：
一是用于高清攝像機的大運算量圖像處理。這包括與常用攝像機SoC ASIC所集成的圖像處理硬核相比，在功能和性能方面進行了差異化增強(例如去霧、防抖、圖像非一致性校正等)的ISP設計、視頻智能分析算法等。
二是CCD時序驅動信號生成。使用不同廠家的CCD圖像傳感器，需要設計不同的CCD驅動時序信號。
三是用于視頻監(jiān)控中心的高清數(shù)字視頻矩陣切換和光纖視頻通道接入。
靈活性與高密度運算是強項
FPGA可大規(guī)模并行的高密度運算、邏輯可編程的靈活性、超高帶寬數(shù)據(jù)互連和可為內部提供高達4GBps以上的數(shù)據(jù)傳輸帶寬使其具備無可替代的優(yōu)勢。
隨著高清IP攝像機的不斷成熟和快速普及，大量功能全面、性能優(yōu)秀，同時嵌入了ISP、H.264視頻編碼、高性能ARM處理器和以太網(wǎng)接口的攝像機單芯片SoC ASIC方案，在監(jiān)控市場上大量涌現(xiàn)。這些SoC供應商包括TI、海思、NXP等等。這些單芯片SoC ASIC憑借低成本、低功耗的明顯優(yōu)勢，使FPGA在ISP領域的應用范圍大幅縮小。這種情況一直持續(xù)到2012年下半年，在高清CMOS IP攝像機產品中尤為明顯。
與這種趨勢相抗衡的是，第一，對于高清CCD攝像機，F(xiàn)PGA的地位仍然不可動搖。由于驅動CCD圖像傳感器的時序信號具有自定義和靈活性的要求，F(xiàn)PGA不可缺少。
第二，視頻監(jiān)控領域的智能化趨勢將大力推進FPGA在此領域的深入應用。高清視頻監(jiān)控應用，其數(shù)字化和網(wǎng)絡化已逐漸成熟，現(xiàn)在正在向智能化快速邁進。高清IP攝像機的智能化，提出了包括各種人、物體和文字的檢測、識別和提取，目標行為分析和統(tǒng)計等等需求，都需要巨大的運算量。由于安防系統(tǒng)對關鍵事件的快速發(fā)現(xiàn)和響應的高要求，這些運算都必須在短時間內完成。單位時間內的高密度運算，正是FPGA的強項所在。
在視頻監(jiān)控領域，F(xiàn)PGA用來戰(zhàn)勝ASIC或者SoC所依靠的優(yōu)勢主要有：
第一，可大規(guī)模并行的高密度運算;
第二，邏輯可編程的靈活性;
第三，大量3.125Gbps或以上高速SERDES的超高帶寬數(shù)據(jù)互連;
第四，嵌入了ARM A9處理器的FPGA，可以為其內部CPU和FPGA邏輯之間提供高達4GBps或以上的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。
在視頻監(jiān)控這個FPGA的新興市場，F(xiàn)PGA和ASIC/ASSP兩種方案，依然是共存的，且競爭依舊激烈。從本質上看，兩種方案都是憑借自己有別于對方的技術特色，取得競爭優(yōu)勢。
與ASIC相比，F(xiàn)PGA的功耗偏大、成本偏高的短板也是明顯的。只是，隨著半導體工藝的不斷推陳出新，這些短板也在持續(xù)改進之中，我們需要以發(fā)展、變化的眼光去看待。
從宏觀上看，隨著半導體工藝的不斷進步，與ASIC方案相比，F(xiàn)PGA的發(fā)展優(yōu)勢將越來越明顯，成長空間也廣闊。因為FPGA保持著兩個根本優(yōu)勢：
第一，F(xiàn)PGA總是可以基于最新的半導體工藝進步，實現(xiàn)跨入下一代的升級。這是許多ASIC方案無法實現(xiàn)的。因為不斷使用最新半導體工藝開發(fā)芯片，意味著開發(fā)階段的投片成本以幾何級數(shù)增加，這要求每一個以新工藝開發(fā)的ASIC項目，其市場銷量也需要比上一代成倍增加，如此一來，能夠持續(xù)與FPGA競爭、持續(xù)使用新工藝開發(fā)的ASIC項目只會越來越少。觀察FPGA我們看到，由于FPGA是通用的可編程芯片，每次開發(fā)出新一代的FPGA，其投片費用其實是由全世界的FPGA用戶分擔的，所以在持續(xù)使用半導體新工藝方面沒有障礙。
第二，由于FPGA的升級換代可以與半導體新工藝的發(fā)展同步，這給予了FPGA在性能、功耗等方面持續(xù)提升的空間，也給FPGA在性價比方面超越ASIC提供了可能。誠然，在不斷演進的過程中，F(xiàn)PGA的成本下降趨勢可能會逐步放緩或進入平臺區(qū)。
基于FPGA的以上優(yōu)勢，我們有理由對FPGA的未來發(fā)展空間充滿信心。
未來需更低功耗與成本
未來視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將變得越來越復雜，對FPGA提出的要求基本方向沒有改變，即更強的運算性能和IO帶寬、更低的功耗、更低的成本。
當前的視頻監(jiān)控應用，對FPGA器件性能提出了更高的要求，包括：[!--empirenews.page--]
一是更高的系統(tǒng)時鐘頻率。對于處理1080p分辨率、幀率為50fps/60fps的視頻，F(xiàn)PGA硬件流水線的系統(tǒng)時鐘至少需運行在148.5MHz或以上。還需要FPGA提供160MHz或以上的系統(tǒng)最高主頻。
二是FPGA需經常承擔單位時間內基于視頻幀的高密度數(shù)據(jù)運算。不同的算法所需要讀取的參考幀數(shù)量不同。這些高清視頻幀數(shù)據(jù)的快速訪問，需要FPGA提供足夠大的DDR SDRAM讀寫有效帶寬。每增加1幀1080p/50的YUV422數(shù)據(jù)讀取，需DDR SDRAM控制器增加210MBps的有效帶寬。還需要FPGA提供支持64-bit外部總線位寬，訪問速率達到1066Mbps或以上的DDR3 SDRAM控制器硬核。
三是視頻處理算法FPGA邏輯經常出現(xiàn)子模塊的數(shù)據(jù)互連關系較為復雜，消耗的布線資源較多，而且產品成本的壓力要求芯片內邏輯利用率很高，這些都要求FPGA在資源占用很滿的情況下，具有較高的布通率。
未來視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將變得越來越復雜，對FPGA提出的要求基本方向沒有改變，即更強的運算性能和IO帶寬、更低的功耗、更低的成本。
視頻監(jiān)控產品的價格定位，是在專用工業(yè)設備和消費電子產品之間，并且逐步向消費電子產品的價格區(qū)間靠近。所以，產品的成本壓力是很大的。
對于攝像機產品，往往外觀尺寸都較為小巧。此外，由于攝像機產品經常被安裝在公路邊、廠區(qū)、野外等露天場所，溫度環(huán)境較為嚴酷。所以，為了達到較高的使用壽命和可靠性，對于產品內部IC的功耗也有嚴格要求，需盡量選用低功耗的芯片。
基于此，F(xiàn)PGA廠商在提高FPGA邏輯布通率方面就需要有大幅改進?，F(xiàn)在，業(yè)界主流FPGA廠商Xilinx和Altera公司相繼推出了基于C語言開發(fā)FPGA硬件邏輯的開發(fā)工具HLS(High Level Synthesis)和Open-CL，這將使開發(fā)FPGA算法邏輯的開發(fā)時間大幅縮短，仿真和調試效率大幅提高，最終也將大幅提高生產力。但是，軟件或硬件工程師要充分掌握這些基于高級語言的硬件邏輯開發(fā)工具并非易事，他們需要對這些編譯器硬件邏輯綜合策略、FPGA硬件架構、FPGA設計理念等有充分的理解。海康威視公司作為一家視頻監(jiān)控領域的先進廠商，在把中低端產品做好做精的同時，將高端產品相對競爭對手實現(xiàn)差異化，在功能或性能上領先業(yè)界。
基于對FPGA相對優(yōu)勢的分析，FPGA更適合用于以下產品：智能交通攝像機、視音頻光端機、視頻綜合平臺等細分市場。
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