視頻監(jiān)控和安全行業(yè)正在經(jīng)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(zhuǎn)變。其結(jié)果是，在視頻監(jiān)控攝像機和數(shù)字視頻錄像機（DVR）設(shè)計中出現(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(chǎn)品中添加差異化的功能，使其產(chǎn)品有別于競爭對手的產(chǎn)品。因此，相似的攝像機和 DVR 產(chǎn)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(chǎn)品制造商創(chuàng)造了新的機會，可以實現(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(jīng)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(wù)。ASSP 可能提供更多的性能，但往往是以設(shè)計的靈活性為代價。ASIC 有更多的性能優(yōu)化，但產(chǎn)量不夠大，無法驗證 ASIC 開發(fā)所需的費用和時間。設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)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(fù)用，在圖像信號處理單元進行預(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)用于檢測在預(yù)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(yīng)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(jù)，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(yīng)用的流行壓縮算法，因為它能以相當?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)過壓縮后的數(shù)據(jù)通過硬盤驅(qū)動器接口存儲至視頻存儲服務(wù)器，或通過以太網(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)動器，并經(jīng)過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(nèi)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(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(yù)計批量和形狀因子是如何推動不同的實現(xiàn)技術(shù)和器件的。對于低數(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)計批量以及硬件的靈活性會大大響設(shè)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(yù)計有大的批量，設(shè)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(yù)期批量，設(shè)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(shè)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(wù)的時序性質(zhì)，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(fù)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(fù)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(shè)計完成后根據(jù)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(fù)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(jié)構(gòu)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(qū)動器接口和以太網(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(jù)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(gòu)。

許多網(wǎng)絡(luò) 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(chǎn)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(yīng)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(wǎng)絡(luò) 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(wǎng)絡(luò) 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(shè)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(shù)固有的優(yōu)點結(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，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(yīng)用中經(jīng)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(shè)備制造商提供很多價值，特別當設(shè)計緊湊的網(wǎng)絡(luò) 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(jié)

對于大量的各種視頻監(jiān)控攝像機和 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)性工程費優(yōu)勢。采用非易失 FPGA 不再需要外部引導芯片 PROM，可以構(gòu)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(nèi)置的 AES 128 位加密技術(shù)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。
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