浅析FPGA传输在安防监控中的应用

    1、FPGA在智能视频监控中的应用

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。由于平安城市建设的需要，更加推动了视频监控的发展，从而也推动了FPGA在这一领域的应用。尤其现在要求多通道、高清晰、网络化、通信接口高速化、智能化，都促进了FPGA在这一领域的进一步发展。反之，FPGA的芯片技术、IP核、参考设计的进步和更新，又推动了视频监控的发展。现在，单纯采用DSP处理器或现成芯片（ASSP）的方法已难以满足高性能系统的需求。但由于目前可编程器件具有很高的集成度和灵活性，以及低功耗和宽泛的工作范围，其价格又不断在下降，因此利用可编程逻辑门阵列（FPGA）特有的高性能和灵活性，使其可构建许多视频监控产品。

目前，IP摄像机的分辨率正在由标清D1逐步进化到高清（1280×1024），并且必须进行本地实时压缩，因而只能采用硬压缩方式。如果采用多片DSP处理器，则将使系统成本、集成度和功耗增加，而让用户无法接受;如果采用单片低成本的FPGA器件，则性能又无法满足设计要求。但若采用单片高性能的Stratix系列FPGA器件，则可达到要求。因为这种器件是具有相对应的结构化ASIC-Hard-Copy系列器件，还可进一步将成本降低到1/10，并降低50%的功耗。因此，可采用这种FPGA器件作单路高清IP摄像机，欲知详情可参阅本人撰写在AS《安防工程商》中“用于平安城市的智能网络摄像机的实现方案”一文，其1路1280×1024/25帧/s＋1路CIF/25帧/s与H.264视频压缩均将在FPGA硬件中实现。

软压缩DVR所实现的功能大多逻辑复杂度不高，同时对数据通路性能有一定的要求，需要具有高速接口通信能力，因而也适合用FPGA来实现。其缩放部分以及视频滤波等预处理工作、DMA控制器、音频FIFO和PCI-E部分可全部放入FPGA中。这里采用FPGA的好处是，可以灵活地实现任意多路的视频输入，并且视频预处理的功能可以根据不同摄像机的特性灵活定制，从而达到最优效果。

硬压缩，是指采用硬件（如DSP处理器、媒体处理器和FPGA器件）来实现视频压缩，然后直接存贮或通过网络传送等。而从成本和易实现性等方面考虑，高端Stratix系列FPGA更适合H.264高清分辨率压缩。多路硬压缩DVR的通道数包含4、8、16通道，有的甚至超过24通道。系统的核心是多通道压缩，用FPGA实现方案与传统的ASSP或DSP处理器实现方法不同，它是一种更灵活、可扩展性更强、单路视频成本和功耗更低的解决方案。最新的65nm低成本FPGA CycloneⅢ在功耗方面拥有很大优势，这种单芯片可以支持最大到16通道的H.264编码。

为了能在本地监视多通道的画面，通常需要复用多通道视频数据和对画面进行分割与缩放，因此，必须将标准的CCIR656格式数据送入视频复用缩放分割部分处理。FPGA CycloneⅢ器件中丰富的M9K内存资源较适合用作视频复用缩放算法时必需的行缓存，从而这部分能快速实现画面复用缩放及分割功能。然后送入多通道H.264D1＋CIF编码部分，而FPGA内在的强大并行处理能力可以满足H.264算法对处理速度的要求。这与多个ASSP或DSP处理器实现方案相比，单芯片FPGA提供了更稳定的系统性能、更低的成本以及最佳的性价比。

2、用FPGA实现DSP实时视频处理功能

与ASSP和芯片组解决方案相比，FPGA可根据设计工程师的实际需求提供不同层次的灵活性，并保持明显优于传统DSP的性能。实时视频处理对系统性能的要求极高，因此几乎所有只具最简单功能的通用DSP都不具备这项功能。而可编程逻辑器件允许设计人员利用并行处理技术实现视频信号处理算法，并且只需单个器件就能实现所期望的性能。基于DSP的解决方案通常需要在单板上嵌入许多DSP，以得到必需的处理能力，这无疑将增加程序资源和数据存储器资源开销。由于在极窄的传输信道（如无线信道）上发送高带宽视频数据并保持适当的业务质量（QoS）极其困难，因此设计人员建立在FPGA实现的基础上致力于改进纠错、压缩和图像处理技术。MPEG-4算法的核心是一种称为离散余弦变换（DCT）的操作，其DCT部分已经标准化并能在FPGA中有效实现，许多专用MPEG解码器在这些部分（如运动估计模块）也使用了FPGA。因为FPGA可重新配置，因此器件能方便地进行刷新，并在整个开发阶段（包括配置之后）集成新算法。

视频系统另一重要部分是色彩空间转换，采用FPGA的系统架构就能调整应用系统的算法，由此实现最佳的性能和效率。FPGA可以通过定制调整提供最具实用价值的高性能高效率产品，设计人员可在适用范围和速率之间进行折衷考虑，从而以比DSP时钟低得多的速率实现指定功能。如在中值滤波器应用中，DSP处理器需要67个时钟周期执行算法，而FPGA只需工作在25MHz频率下，因为FPGA能并行实现该功能。但实现上述功能的DSP必须工作在1.5GHz频率下，可见在此特定应用中，FPGA解决方案的处理能力可以达到100MHz DSP处理器的17倍。

许多实时图像和视频处理功能均适合于用FPGA器件来实现，包括有：图像旋转、图像缩放色彩校正和色度校正、阴影增强、边缘检测、直方图功能、锐化、中值滤波器和斑点分析等。许多功能都针对特定的应用和系统，并构建在核心架构（如2D-FIR滤波器）之上。我们可以利用HDL设计语言或高级内核设计工具（如Xilinx Core Gen软件）中的DSP程序块迅速实现这些功能。此外，还能通过系统级设计方法，利用Matlabs Simulink和Xilinx System Generator工具进一步减少设计和仿真时间。

3、利用FPGA构建嵌入式系统的图像和视频控制器

采用FPGA器件构建视频和图像控制器，正在使图像显示技术进入越来越多的嵌入式应用。由于在性能和灵活性方面的完美组合，FPGA在DSP领域的应用越来越普遍。

Actel公司宣布推出全新的低功耗现场可编程门阵列（FPGA）系列IGLOOPLUS，进一步扩展其面向具有功耗意识设计的广泛的低功耗可编程解决方案资源。全新的FPGA器件提供可编程逻辑器件中每I/O最佳的功耗、面积、逻辑和功能比率。IGLOOPLUS系列的静态功耗仅5μW，并经过I/O优化，比较Actel屡获殊荣的IGLOO系列提供多出64%的I/O，并支持独立的施密特触发器输入、热插拔和Flash Freeze总线保持。由于IGLOO PLUS系列器件具有低功耗和经I/O优化，这使其成为消费电子、工业、通信、医疗和测试应用领域中便携式电子设备的理想选择，尤其是那些需要I/O密集内存总线操作、通用I/O扩展、排序、接口转换、存储，以及人机界面触摸屏和键盘技术的应用。

市场发展

第一时间采用新工艺提升性能降低成本

半导体产品的集成度和成本一直在按照摩尔定律演进。在这方面，作为半导体产品的重要一支―――可编程逻辑器件也不例外。“最先进的半导体工艺几乎都会在第一时间被应用在FPGA产品上。”“而每一次工艺升级带来的优势，都会在产品的功耗、最高运行频率、容量以及成本上得到体现。”

引入更多通用和定制IP向解决方案供应商转变

FPGA的应用已经从过去通信基础设备这一非常窄的领域迅速扩展到了今天非常广泛的应用领域。

采用各种技术路线争做低功耗之王

电池供电应用的迅猛增长刺激了全球市场对低功耗半导体的需求。今天，系统设计人员面对更加严格的系统总体功耗限制。与此同时，这类应用所要求的功能、性能和复杂度也在增加，但却不能以增加电池为代价。为此，原来在功耗指标上并不占优的FPGA产品开始采用各种新技术来降低和优化功耗。