針對DSP、ASIC與FPGA三種產(chǎn)品平臺的H.264編碼器方案

基于DSP方案

目前的視頻監(jiān)控行業(yè)，基于DSP的H.264編碼器解決方案占有絕對優(yōu)勢的市場份額，這是由DSP方案開發(fā)周期相對較短的特性決定的。在ASIC或FPGA方案仍處于研發(fā)階段時(shí)，DSP方案已捷足先登，并較好地解決了視頻監(jiān)控行業(yè)中H.264編碼器方案從無到有的過程，為H.264在監(jiān)控應(yīng)用中走向成熟立下了汗馬功勞。但是由于DSP運(yùn)算能力本身的制約，考慮到H.264標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的高復(fù)雜度，要達(dá)到未來對編碼器高性價(jià)比的要求，DSP方案會非常困難。為從低碼率的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)或無線環(huán)境到高碼率的HDTV和數(shù)字存儲系統(tǒng)提供一個(gè)優(yōu)良的視頻壓縮編碼通用工具。但H.264標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)異的性能表現(xiàn)是以編碼運(yùn)算復(fù)雜度和運(yùn)算量大為代價(jià)，在通用的PC機(jī)平臺實(shí)現(xiàn)會占用較大的CPU和內(nèi)存資源。隨著數(shù)字信號處理器（DSP）技術(shù)的高速發(fā)展，DSP的處理速度和能力飛速提高。同時(shí)，雖然DSP方案具有非常好的可編程性能，但由于其硬件接口和架構(gòu)均已固定，很難滿足產(chǎn)品架構(gòu)靈活性的要求，也相對增加了靈活提供對多通道編碼支持的實(shí)現(xiàn)難度。

基于ASIC方案

在目前階段基于ASIC的H.264編碼成熟方案在監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用還相對較少，這和芯片設(shè)計(jì)研發(fā)周期較長，成本較高的特點(diǎn)緊密相關(guān)。ASIC方案的最大優(yōu)勢就是一旦量產(chǎn)后，成本和其他方案相比將非常低廉，同時(shí)由于是硬件編碼實(shí)現(xiàn)，通?？梢暂^容易滿足行業(yè)對高編碼性能的要求。同時(shí)一款成熟的ASIC芯片和DSP實(shí)現(xiàn)方案相比通常具有更高的穩(wěn)定性。監(jiān)控市場相對多變的客戶需求則使得建立在ASIC平臺上的產(chǎn)品方案在未來有著更大的產(chǎn)品不確定性和市場風(fēng)險(xiǎn)。

基于FPGA方案

FPGA作為一個(gè)可編程的硬件邏輯實(shí)現(xiàn)平臺很好地融合了DSP架構(gòu)的可編程可升級性和ASIC架構(gòu)的由硬件實(shí)現(xiàn)方式而帶來的高編碼性能。FGPA方案的靈活性不僅僅體現(xiàn)在具有和DSP平臺一樣的可編程性和可升級性，而且還體現(xiàn)在可以提供更高的系統(tǒng)架構(gòu)上的靈活性。以XilinxSpartan3系列芯片為例，首先提供了不同規(guī)格能力的芯片選擇，其次對于同一規(guī)格的芯片又提供了不同的封裝，以提供不同的管腳數(shù)目的選擇，同時(shí)，每一款FPGA芯片其管腳都可以根據(jù)用戶的要求重新定義功能，提供非常靈活的接口控制。通過和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效配合，基于FPGA的方案有可能大幅降低產(chǎn)品的BOM成本。FPGA這種架構(gòu)上的靈活性非常有利于采用同一個(gè)H.264編碼內(nèi)核靈活支持不同應(yīng)用、不同規(guī)格的產(chǎn)品方向。同時(shí)架構(gòu)上的靈活性使得設(shè)計(jì)者可以充分發(fā)揮創(chuàng)造性，開發(fā)出個(gè)性化風(fēng)格的產(chǎn)品，這是基于DSP或ASIC的方案難以做到的。

FPGA是現(xiàn)場編程門陣列器件。它和DSP集成在一塊芯片上，可實(shí)現(xiàn)寬帶信號處理，大大提高信號處理速度。據(jù)報(bào)道，Xilinx 公司的Virtex-II FPGA對快速傅立葉變換（FFT）的處理可提高30倍以上。它的芯片中有自由的FPGA可供編程。Xilinx公司開發(fā)出一種稱作Turbo卷積編譯碼器的高性能內(nèi)核。設(shè)計(jì)者可以在FPGA中集成一個(gè)或多個(gè)Turbo內(nèi)核，它支持多路大數(shù)據(jù)流，以滿足第三代（3G）WCDMA無線基站和手機(jī)的需要，同時(shí)大大WCDMA無線基站節(jié)省開發(fā)時(shí)間，使功能的增加或性能的改善非常容易。因此在無線通信、多媒體等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛應(yīng)用。

FPGA方案與前兩種方案相比，其結(jié)合DSP方案和ASIC方案的部分優(yōu)勢，彌補(bǔ)一些固有不足。如FGPA方案的可編程可升級性能大大降低了系統(tǒng)集成商在選用ASIC芯片方案時(shí)可能會遇到的一些后期風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)FPGA接近ASIC的強(qiáng)運(yùn)算能力則有效彌補(bǔ)了DSP方案在編碼性能上的瓶頸。另一方面，F(xiàn)PGA類似于ASIC的實(shí)現(xiàn)方式也使得FPGA平臺有可能提供比DSP方案更高的產(chǎn)品穩(wěn)定性。

FPGA方案從產(chǎn)品角度來考量的話，最主要的難度是如何既考慮到產(chǎn)品的成本需要，又考慮其性能需求，為市場提供高性價(jià)比的編碼解決方案。

目前市場上針對以上三種產(chǎn)品平臺的都已有成熟的編碼器方案，其中基于DSP的主要是TI的DM642和DAVINCI媒體處理器，以及NXP的PNX15xx和PNX17xx?；贏SIC方案的相對較少，主要用的比較多的是海思的HI3510。基于FPGA的目前主要是XILINXSPARTAN3ADSP3400采用DVMICRO硬件IP核提供的編碼器方案。

H.264在監(jiān)控的應(yīng)用

1 TOYA SDVR 7IV 系統(tǒng)簡介

TOYA SDVR 7IV 是采用止前最為先進(jìn)H.264視頻壓縮算法的專業(yè)數(shù)字監(jiān)控產(chǎn)品，具有強(qiáng)大的視頻/音頻壓縮引擎，與MPEG-4壓縮方式的硬盤錄像機(jī)相比，壓縮比可提高近30%，大大提高了存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，同理采用新的算法極大地抑制了由于攝像機(jī)噪聲導(dǎo)致的圖像失真，背景流動現(xiàn)象，便圖像質(zhì)量更加清晰。H.264產(chǎn)品的推出無疑又使我國的數(shù)字監(jiān)控技術(shù)上了一個(gè)新的臺階。

系統(tǒng)采用最先進(jìn)的H264視頻壓縮技術(shù)和G。729的音頻壓縮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超大無損壓縮。具備本地實(shí)時(shí)監(jiān)視、音視頻同步壓縮存儲、組合報(bào)警、有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、管理權(quán)限設(shè)置等多種功能，單個(gè)本地系統(tǒng)可完成顯示16路監(jiān)控畫面、每路可單獨(dú)放大和切換，查詢錄象記錄及進(jìn)行回放。每個(gè)本地系統(tǒng)均可通過不同的網(wǎng)絡(luò)方式組成有線或無線數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)。

2 TOYA SDVR 7IV 系統(tǒng)主要特點(diǎn)：

采用時(shí)間最先進(jìn)的H.264視頻編碼技術(shù)，具有高清晰度的畫質(zhì)；

在壓縮處理過程中使用多種專用技術(shù)，保證以最低碼流達(dá)到最佳畫質(zhì)，采用幀內(nèi)壓縮，絕無馬賽克出現(xiàn)；

提供多種圖象處理方法，加強(qiáng)噪音信號的過濾，畫面更平滑。

可同時(shí)支持H.264、MPEG-4壓縮格式；

實(shí)時(shí)壓縮、實(shí)時(shí)預(yù)覽、實(shí)時(shí)回放；

支持I\B\P幀多種組合/量化模式，圖象壓縮比更大；

在壓縮過程中，可動態(tài)抽幀，可隨時(shí)恢復(fù)，進(jìn)一步減少存儲空間；

預(yù)覽、壓縮不占用CPU時(shí)間，互不干擾；

可動態(tài)精確設(shè)置多種視音頻壓縮參數(shù)，達(dá)到最佳視聽效果；

碼流可調(diào)，占用硬盤空間最少可達(dá)40兆每小時(shí)；

工藝精良，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；低功耗，發(fā)熱少，系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性高；

3 主要技術(shù)規(guī)格

壓縮畫面以及分辨，支持CIF/QCIF，圖象分辨率352X288，圖象壓縮

壓縮格式：支持H.264、MPEG-4壓縮格式；

壓縮幀率：1-25幀可調(diào)

壓縮碼率：64K~2Mbit/秒，支持CBR\VBR\Hybrid

三種碼率控制方式：變碼流、動碼流、混合碼流

網(wǎng)絡(luò)傳輸

支持PSTN/DDN/LAN/WAN等網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸與控制

每個(gè)服務(wù)器支持32路TCP/UDP傳輸，組播無限制

4系統(tǒng)功能

多畫面分割：單路、四路、九路、十六路、全屏顯示等多種畫面分割；

采用錄象方式；常規(guī)錄象，動態(tài)錄象，視頻移動報(bào)警錄象，定時(shí)錄象；

字符/時(shí)間疊加功能：可以在每一路視頻上疊加地點(diǎn)信息，便于查詢；

多用戶管理：可設(shè)置多級管理員權(quán)限；

工作日志：詳細(xì)記錄系統(tǒng)工作狀態(tài)，方便用戶管理；

報(bào)警：具有報(bào)警輸入/輸出功能，單獨(dú)設(shè)置報(bào)警區(qū)域和靈敏度

圖象亮度/對比度/色度/飽和度隨時(shí)可調(diào)

支持G.729標(biāo)準(zhǔn)音頻壓縮，線性音頻輸入，音質(zhì)好，占硬盤空間少

回放檢索：根據(jù)時(shí)間、日期、攝象機(jī)編號分別回放檢索

5 TOYA SDVR 7IV系統(tǒng)應(yīng)用

技術(shù)的成熟和不斷人性化的設(shè)計(jì)，使得本系統(tǒng)得以全方位進(jìn)入金融、保險(xiǎn)等特殊領(lǐng)域，而且在全能樓宇、文化教育、醫(yī)學(xué)研究、交通指揮管制、在建工程管理、惡劣工況管理、海關(guān)及公、檢、法商業(yè)貿(mào)易等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。