基于賽靈思Spartan-3A DSP的安全視頻分析

 視頻分析對性能處理的要求可充分發(fā)揮賽靈思FPGA的并行架構、嵌入式和DSP處理能力所帶來的優(yōu)點。

　　范圍廣泛的安全分析應用對處理帶寬的要求迫使企業(yè)重新考慮系統(tǒng)硬件的設計方法。單個視頻和圖像DSP處理器已經(jīng)不能以可接受的數(shù)據(jù)速率完成某些計算密集的分析運算了。此外，也沒有強大可靠的解決方案能夠在全視頻幀速率下處理高分辨率（HD）。這也迫使系統(tǒng)工程師考慮多芯片或其它單芯片系統(tǒng)。兩種解決方案各有其優(yōu)點和缺點。

　　由多片DSP組成的多芯片系統(tǒng)一般可為設計人員提供更為熟悉的設計流程，但卻增加了PCB成本、占用板級/系統(tǒng)級空間，同時還可能帶來系統(tǒng)性能問題。另一方面，單芯片解決方案看起來在成本、封裝和功耗方面具有優(yōu)勢，但可能會在無形中增加設計人員的學習難度，提高設計項目的復雜性和工程成本，并且有可能拖延產(chǎn)品發(fā)布的時間。

　　這也是位于加州伯克利的視頻分析公司Eutecus在開發(fā)下一代安全分析產(chǎn)品—多核視頻分析引擎（MVE™）時遇到的難題。

　　我們的第一代產(chǎn)品基于德州儀器（TI）的達芬奇（DaVinci）數(shù)字媒體片上系統(tǒng)（SoC）平臺。 但在第二代產(chǎn)品中，我們需要更強大的處理能力和系統(tǒng)集成度。我們很快發(fā)現(xiàn)多個DSP器件的解決方案無論在成本上還是在系統(tǒng)一級效益都不高。我們需要一個能夠方便地將上一代產(chǎn)品移植過來，并且能夠為我們的第二代MVE提供更多特性的單芯片解決方案。

　　經(jīng)過一番調(diào)研，我們找到了賽靈思公司的Spartan®-3A DSP 3400A。該器件提供了126 個專用 XtremeDSP®DSP48A邏輯片，可以提供足夠的性能來滿足我們的系統(tǒng)要求，并且價格也很有吸引力。

　　當進一步了解到賽靈思嵌入式開發(fā)套件（EDK）支持Spartan-3A DSP之后，我們對設計移植方面的擔心也很快消失了。賽靈思公司的EDK嵌入式開發(fā)套件可以實現(xiàn)基于賽靈思MicroBlaze®嵌入式處理器的雙處理器硬件架構，與TI公司DaVinci平臺雙處理器硬件架構類似。

　　選定器件之后，開始將現(xiàn)有的基于DaVinci的代碼移植到賽靈思雙處理器嵌入式系統(tǒng)，以創(chuàng)造一個單芯片視頻安全分析設計。然后，在FPGA構造中創(chuàng)建了適量的加速器模塊來滿足性能要求，其中包括在全幀速率下處理高分辨率視頻。這就是第二代MVE系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)成功地銷售到航空航天/國防、機器視覺和監(jiān)控市場。

　　視頻分析產(chǎn)品簡介

　　多核視頻分析引擎（MVE）基于InstantVision Embedded® 軟件和能夠提供許多高級功能的專用C-MVA®協(xié)處理器。

　　MVE/C-MVA最新版本能夠以全幀速率處理高分辨率視頻。其功耗還不到1瓦，能夠以全并行方式執(zhí)行多種事件檢測和分類算法。圖1給出的是一個交通監(jiān)控應用中視頻分析輸出的例子，針對不同類型的車輛、車流方向、車道變化以及違規(guī)變道等情況進行了分類，所有這些都是并發(fā)進行的并且利用不同的顏色進行了標記。

                                                   圖 1. 多內(nèi)核視頻分析引擎 (MVE)及示例應用的發(fā)展路線圖

　　設計C-MVA協(xié)處理器的目標是能夠擴展其運算的復雜度以支持密集物體空間的分析功能，此時需要重疊分析和處理不完整的對象/事件，因此特別具有挑戰(zhàn)性。專用DSP在這方面的支持性很差，而且計算可擴展能力也不好。而FPGA在這兩個方面則具有更大的靈活性。

　　Spartan-3A DSP 3400A FPGA中的126個XtremeDSP DSP48A邏輯片能夠提供高達30 GMAC的DSP性能，因此完全能夠滿足視頻分析應用苛刻的成本和性能要求。賽靈思FPGA還允許我們根據(jù)客戶需求增加更多視頻分析功能以及相關的事件檢測事例。我們在表1中做了小結。

                                      表1： 典型事件檢測應用中支持的視頻分析功能

　　此外，通過賽靈思FPGA和ISE® 設計套件工具，視頻分析設計小組可以為終端客戶定制解決方案方面提供更大靈活性。通過快速建立標準分辨率和高分辨率視頻處理原型，我們可以快速定制視頻分析引擎和片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。這樣我們就可以根據(jù)客戶需求更高效地利用Spartan-3A DSP 3400A或成本更低的Spartan-3A DSP 1800A FPGA器件中的可用資源。

　　FPGA解決方案另一個好處是可以利用同一硬件平臺創(chuàng)建多種不同的衍生產(chǎn)品。由于我們已經(jīng)使用VHDL設計了多種分析加速器引擎，因此可以將這些專用內(nèi)核集成到C-MVA協(xié)處理器中。這種方法允許工程師重新利用雙MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)來創(chuàng)建不同的FPGA編程文件，這樣就構成了高度可擴展的解決方案，可以輕松調(diào)節(jié)適應范圍廣泛的視頻分析應用。

　　從DaVinci移植到賽靈思FPGA

　　我們先前一代的視頻分析產(chǎn)品基于TI DaVinci數(shù)字媒體SoC芯片TMS320DM6446。該芯片包括ARM9x處理器和C64x+ DSP協(xié)處理器。在設計中，我們使用ARM9x做通信和控制，用C64x+做分析算法的DSP處理。然而，兩者組合起來構成的系統(tǒng)仍然無法滿足我們第二代產(chǎn)品所需要的高性能處理要求。因此，我們轉向了Spartan-3A DSP FPGA系列。

　　通過創(chuàng)建擁有兩個獨立運行MicroBlaze v7軟內(nèi)核處理器的賽靈思嵌入式系統(tǒng)，我們簡化了設計移植任務。這種架構使我們可以分別移植ARM和DSP處理器代碼，從而大大簡化了設計移植過程。圖2給出了Eutecus硬件系統(tǒng)的框圖，以及基于MVE的參考SoC設計。

                                  圖 2. Dual-MicroBlaze® System-on-Chip (SoC)架構MVE引擎協(xié)處理器框圖

　　我們的MVE引擎包括運行在MicroBlaze (MB0)上的InstantVision嵌入式軟件，運行在MicroBlaze (MB1)上的系統(tǒng)控制和通信部分以及C-MVA協(xié)處理器。C-MVA協(xié)處理器是運行在FPGA構造上的硬件加速器IP內(nèi)核模塊鏈。

　　利用ISE設計套件和MicroBlaze軟核，我們的ARM和DSP代碼移植工作相當簡單。一個突出優(yōu)點就是，InstantVision跨平臺環(huán)境是采用高級標準C/C++語言編寫的，只需要很少的修改。

　　一旦完成代碼移植，我們驗證其功能的正確性并且識別出性能瓶頸。事實表明，優(yōu)化和加速對原TI處理器開發(fā)的C/C++代碼是一項重要挑戰(zhàn)，因為當初在開發(fā)這一平臺的過程中，我們在匯編級優(yōu)化時使用了幾個DaVinci C64x+協(xié)處理加速模塊。在轉換過程中，我們遵循以下一系列步驟：首先利用高級C函數(shù)來重寫這些模塊。最后，用運行在FPGA構造上的同等功能加速器模塊來代替這些模塊的大部分功能。