基于FPGA 構(gòu)建一個(gè)提供瞬時(shí)啟動(dòng)功能的單芯片解決方案

視頻監(jiān)控和安全行業(yè)正在經(jīng)歷著一場(chǎng)巨大的變革，正在從傳統(tǒng)的模擬閉路電視攝像機(jī)向基于邏輯的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的方向發(fā)展。更高的視頻分辨率、圖像信號(hào)處理、先進(jìn)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(shì)推動(dòng)了這一轉(zhuǎn)變。其結(jié)果是，在視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)和數(shù)字視頻錄像機(jī)（DVR）設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn)，包括增加使用 CMOS 傳感器、網(wǎng)絡(luò) IP 攝像技術(shù)、增加系統(tǒng)的集成功能、更小尺寸的外形因子、采用先進(jìn)的編解碼器以及增加 DSP 功能。

由于視頻監(jiān)控 / 安全市場(chǎng)的多樣性和競(jìng)爭(zhēng)性，制造商往往很難在他們自己的產(chǎn)品中添加差異化的功能，使其產(chǎn)品有別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品。因此，相似的攝像機(jī)和 DVR 產(chǎn)品非常普遍。然而，上面提到的趨勢(shì)為視頻安全 / 監(jiān)控原始產(chǎn)品制造商創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。

滿足這些應(yīng)用的要求需要額外的處理能力。目前的數(shù)碼攝像機(jī)利用 DSP 芯片、專門的 ASSP 或 ASIC 來(lái)提供處理功能，但這些方案存在一些挑戰(zhàn)。采用 DSP 芯片經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)性能瓶頸，因?yàn)檫@些芯片通常用串行方式處理圖像信號(hào)處理任務(wù)。ASSP 可能提供更多的性能，但往往是以設(shè)計(jì)的靈活性為代價(jià)。ASIC 有更多的性能優(yōu)化，但產(chǎn)量不夠大，無(wú)法驗(yàn)證 ASIC 開發(fā)所需的費(fèi)用和時(shí)間。設(shè)計(jì)人員需要一種靈活的方法，針對(duì)不同的細(xì)分市場(chǎng)提供從低端攝像機(jī) /DVR 到高端應(yīng)用所需的計(jì)算能力。

實(shí)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(gè)攝像機(jī)或多個(gè)攝像機(jī)。有些系統(tǒng)則整合了 DVR 與單個(gè)攝像機(jī)或多個(gè)攝像機(jī)。

圖 1：多攝像機(jī)的 DVR 視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖。

圖 1 是一種通用的多攝像機(jī)的 DVR 視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻源來(lái)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(zhuǎn)換成普通的格式，然后對(duì)不同的視頻流（以及音頻）進(jìn)行多路復(fù)用，在圖像信號(hào)處理單元進(jìn)行預(yù)處理。視頻預(yù)處理的目的是降低噪聲和消除像素缺陷。

視頻分析技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)在預(yù)定義畫面中的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)輸出可減少所需的存儲(chǔ)容量。在一些視頻監(jiān)控應(yīng)用中，視頻分析是必需的，如人 / 車統(tǒng)計(jì)、汽車的車牌號(hào)碼識(shí)別和 / 或人臉識(shí)別。

一個(gè)典型的具有多個(gè)攝像機(jī)視頻源的視頻監(jiān)控系統(tǒng)總是會(huì)生成大量的數(shù)據(jù)，因此減少所需的存儲(chǔ)容量非常重要。MPEG-4、H.264、和 MJPEG 被用來(lái)減少所需的存儲(chǔ)容量。H.264 是一種針對(duì)視頻監(jiān)控應(yīng)用的流行壓縮算法，因?yàn)樗芤韵喈?dāng)?shù)偷谋忍芈剩ㄖ挥?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(zhì)量的功能。

經(jīng)過(guò)壓縮后的數(shù)據(jù)通過(guò)硬盤驅(qū)動(dòng)器接口存儲(chǔ)至視頻存儲(chǔ)服務(wù)器，或通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。視頻數(shù)據(jù)傳送到顯示器之前通常是取自硬盤驅(qū)動(dòng)器，并經(jīng)過(guò)了解碼以及一些圖像后處理，如縮放、色彩空間轉(zhuǎn)換或覆蓋應(yīng)用。通常情況下，存儲(chǔ)器接口（如 DDR2）是用來(lái)存儲(chǔ)視頻幀。此外，某些系統(tǒng)要求視頻內(nèi)容的實(shí)時(shí)加密以確保安全和源 / 用戶身份驗(yàn)證。最后，需要用處理器控制和協(xié)調(diào) / 排定各種不同的任務(wù)。

圖 2：根據(jù)吞吐量、靈活性、批量和形狀因子要求進(jìn)行選擇的步驟。

圖 2 說(shuō)明了系統(tǒng)的要求，如吞吐量、靈活性、預(yù)計(jì)批量和形狀因子是如何推動(dòng)不同的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和器件的。對(duì)于低數(shù)據(jù)吞吐量的要求，DSP 處理器是最節(jié)省成本的器件。然而，產(chǎn)品壽命期間的預(yù)計(jì)批量以及硬件的靈活性會(huì)大大響設(shè)計(jì)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(yù)計(jì)有大的批量，設(shè)計(jì)者則青睞于 ASIC/ASSP 解決方案；而對(duì)于硬件靈活性高的系統(tǒng)要求和較小的預(yù)期批量，設(shè)計(jì)者青睞 FPGA 解決方案。常見的小型視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)有小尺寸的要求，設(shè)計(jì)者青睞采用非易失性 FPGA ，因?yàn)樗鼈儾恍枰~外的外部非易失性配置存儲(chǔ)器件。

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

對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)（圖 1），由于這些任務(wù)的時(shí)序性質(zhì)，用 DSP 處理器可以有效實(shí)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(jìn)行一些視頻分析功能，如運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、面部識(shí)別等。

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

但是 ASIC 和 ASSP 帶來(lái)了高昂的非重復(fù)性工程費(fèi)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(bào)。對(duì)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(shè)計(jì)完成后根據(jù)市場(chǎng)的要求改進(jìn)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(fù)用器需要硬件的靈活性，以支持不同的攝像機(jī)和不同數(shù)目的攝像機(jī)。（2）DDR 接口必須支持不同的存儲(chǔ)器總線寬度和不同的 DDR 標(biāo)準(zhǔn)。（3）支持各種圖像信號(hào)處理算法（二維 FIR 濾波器、二維中值濾波器、縮放、邊緣檢測(cè)、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(gè)特定的視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)實(shí)施方案中可能需要各種算法的子集。這些算法結(jié)構(gòu)的有效實(shí)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(jī)的數(shù)量和視頻標(biāo)準(zhǔn)采樣率。（4）在視頻監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)中并非總是需要硬盤驅(qū)動(dòng)器接口和以太網(wǎng)接口，但可作為選擇方案。（5）并非總是需要顯示器接口，當(dāng)需要它時(shí)，有很多不同的可以實(shí)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(rèn)證。根據(jù)不同視頻格式的不同的吞吐量要求，以及在一個(gè)特定的監(jiān)控系統(tǒng)中不同的攝像機(jī)數(shù)量，最佳加密和認(rèn)證系統(tǒng)可能需要不同的尺寸最優(yōu)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。

許多網(wǎng)絡(luò) IP 攝像機(jī)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(jī) /DVR 系統(tǒng)。采用非易失 FPGA 作為一種解決方案能解決這些問(wèn)題，并獲得 FPGA 的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

利用 FPGA 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化

采用 FPGA 實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，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?cái)z像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中更具吸引力，特別是對(duì)移動(dòng) / 交通運(yùn)輸系統(tǒng)中使用的嵌入式攝像機(jī) /DVR 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)。這些系統(tǒng)對(duì)便攜性、功耗和電路板面積有嚴(yán)格的要求。

這些應(yīng)用對(duì)靈活性和可擴(kuò)展性也有很高的要求，但前提是不能降低對(duì)功耗、電路板面積和便攜性的要求。例如，一些網(wǎng)絡(luò) IP 攝像系統(tǒng)有多個(gè)攝像機(jī)和傳感器，即使電路板面積非常有限，也必須提供多個(gè)視頻流的通道。其它網(wǎng)絡(luò) IP 攝像機(jī)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(shè)備制造商所面臨的挑戰(zhàn)是用盡可能少的芯片實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)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(shù)固有的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。LatticeXP2 系列在安全和監(jiān)控應(yīng)用方面有許多特點(diǎn)，包括該芯片支持 DDR/DDR2、針對(duì)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(duì)在視頻監(jiān)控應(yīng)用中經(jīng)常需要的圖像信號(hào)處理功能特別有用。當(dāng) LatTIceXP2-5 和 LatTIceXP2-8 器件與低成本芯片級(jí)封裝在一起時(shí)， LatTIceXP2 非易失 FPGA 器件系列為原始設(shè)備制造商提供很多價(jià)值，特別當(dāng)設(shè)計(jì)緊湊的網(wǎng)絡(luò) IP 攝像機(jī)時(shí)。

圖 3：LatTIceXP2 非易失器件系列具有低成本的封裝。

本文小結(jié)

對(duì)于大量的各種視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)和 DVR 的應(yīng)用，F(xiàn)PGA 所具有硬件靈活性、并行處理能力以及零非重復(fù)性工程費(fèi)優(yōu)勢(shì)。采用非易失 FPGA 不再需要外部引導(dǎo)芯片 PROM，可以構(gòu)建一個(gè)提供瞬時(shí)啟動(dòng)功能的單芯片解決方案。帶有片上密鑰存儲(chǔ)并支持內(nèi)置的 AES 128 位加密技術(shù)的特性為保護(hù) 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(jī) /DVR 系統(tǒng)，都能從傳統(tǒng)的基于 SRAM 的 FPGA 中受益，但當(dāng)功耗、電路板面積、成本和集成度特性非常重要時(shí)，非易失 FPGA 是一個(gè)更具吸引力的替代方案。
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