在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中使用FPGA進行視頻處理

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是火車站、機場、銀行、娛樂場所、購物中心甚至家庭保安的重要組件。隨著安全風(fēng)險的增加，對視覺監(jiān)視和記錄事件的需求以多種使用模式激增。因此，新架構(gòu)必須為橫跨一整套日漸繁雜的視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求的成本效益方案提供可擴展性。

　　上市時間的壓力、新CODEC標(biāo)準(zhǔn)、日益廣泛的要求（包括先進的目標(biāo)探測、運動探測、目標(biāo)跟蹤和目標(biāo)跟蹤特性），這些不過是新型視頻監(jiān)控架構(gòu)所面臨挑戰(zhàn)中的幾項。伴隨挑戰(zhàn)而來的是對可擴展為不同性能范圍的實現(xiàn)的需求。

        視頻監(jiān)控和DVR系統(tǒng)

　　數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)字視頻錄像機(DVR)正在迅速采用先進的數(shù)字視頻壓縮。大多數(shù)DVR制造商從MPEG-4向H.264高清晰度(HD)CODEC轉(zhuǎn)移，對更高分辨率和壓縮速度的需求也隨之增加。專用芯片(ASSP) 對大批量應(yīng)用很有用，但缺少靈活性，開發(fā)成本高，而且開發(fā)時間較長；大多數(shù)高級數(shù)字媒體處理器則只能執(zhí)行 H.264 HD 解碼（而 H.264 HD 編碼比解碼還要復(fù)雜得多）。滿足 H.264 HD 性能要求的最佳解決方案是使用一個 FPGA 加上一個外部 DSP 或數(shù)字媒體處理器。

　　使用低成本的 Xilinx FPGA，可以更進一步提供運動探測、視頻縮放、顏色空間轉(zhuǎn)換、硬盤接口和DDR2存儲器接口，還可以將兩個 27MHz ITU-R BT656 數(shù)據(jù)流時分多路傳輸?shù)揭粋€ 54MHz 數(shù)據(jù)流中，同時為 DSP 處理器提供視頻加速。要將兩個 ITU-R BT656 數(shù)據(jù)流多路傳輸?shù)揭粋€ ITU-R BT656 數(shù)據(jù)流中，僅需要一個通道視頻端口來獨立地傳輸完整的二通道視頻數(shù)據(jù)。要為只有一個 ITU-R BT656 視頻輸入端口的數(shù)字媒體處理器提供接口，這種實現(xiàn)方法非常有用。圖 1 所示就是這樣一種建議架構(gòu)的框圖。

　　對于使用德州儀器公司 DaVinci 處理器（僅有一個 ITU-R BT656 視頻輸入端口）的 DVR 設(shè)計，需要一種更有效的實現(xiàn)方法將兩個或更多 ITU-R BT656 數(shù)據(jù)流時分多路傳輸?shù)揭粋€ VLYNQ 數(shù)據(jù)流中，然后才能將其輸送到 DaVinci 處理器。使用上述實現(xiàn)方法，就能用少得多的 I/O 引腳傳輸視頻流，并且可以降低系統(tǒng)成本，因為器件的封裝可以變得更小。圖 2 所示為此設(shè)計的框圖。

        PC 擴展卡 DVR 系統(tǒng)

　　過去十年，PCI 總線為 PC 提供了很好的服務(wù)。然而，當(dāng)今的 PC 擴展卡 DVR 系統(tǒng)所要求的帶寬，已經(jīng)大大超出了 PCI 總線力所能及的程度。未經(jīng)壓縮的視頻數(shù)據(jù)（剝除空白幀之后）約為 165 Mbps。因此，在總體 PCI 帶寬為 1 Gbps 的情況下，在一條 PCI 總線上最多只能混用 6 個未經(jīng)壓縮的視頻采集或視頻重放設(shè)備。如在擴展卡上使用 MPEG-4 CODEC 芯片組來縮小總線上的帶寬，但這會增加成本，并且會受到現(xiàn)有MPEG-4芯片組的限制。

　　PCI Express (PCIe) 技術(shù)使流量大幅度提升。PCI Express 分解為多個通道。每通道在每個方向上包含一個差分對，每個差分對的數(shù)據(jù)流量為 2 Gbps。主板上的每個 PCIe 插槽都有自己的通道，這些通道不與其它任何插槽共享。各插槽的配置為 16 通道（亦稱 x16）、8 通道 (x8)、4 通道 (x4) 或 1 通道 (x1)。PCIe 允許每卡提供的數(shù)據(jù)量從 x1 通道的 2 Gbps 到 x16 通道的 32 Gbps 不等。有了 PCIe 數(shù)據(jù)流量，就可以擺脫每張 PCI 卡 6 個未壓縮視頻通道的限制。

　　使用與圖 1 所示同樣的設(shè)計，可通過用 PC 替換數(shù)字媒體處理器并且經(jīng) PCIe 總線將視頻流緩存到 PC 的方法，輕松快捷地實現(xiàn) PC 擴展卡 DVR 系統(tǒng)。視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生四條獨立的數(shù)字 ITU-R BT656 流，然后這些流被送入低成本的 Spartan-3 器件進行預(yù)處理。在 FPGA 中，視頻數(shù)據(jù)剝除空白幀并同步，為 PCIe 適當(dāng)打包，饋入 Xilinx PCIe 內(nèi)核。然后，軟件就可以讀取并播放輸入的視頻，對其進行處理，或?qū)⑵鋬Υ娴酱疟P。圖 3 所示為 PC 擴展卡視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。 

         Xilinx 視頻和圖像處理算法

　　從多相視頻轉(zhuǎn)換器、二維 FIR 濾波器和屏幕顯示到覆蓋以及阿爾法混合等簡單效果，再到格式和顏色空間轉(zhuǎn)換，Xilinx FPGA 都是實時數(shù)字視頻、圖像處理和濾波的理想平臺。表 1 列出了一些常用視頻 IP 模塊組的應(yīng)用指南。

　　Xilinx FPGA的 DSP 處理能力支持非常高的分辨率（畫質(zhì)高達 1080p），并且可以縮小大型 DSP 陣列的尺寸。

       現(xiàn)成的 IP

　　Xilinx 提供了視頻 IP 模塊組，以供在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中快速設(shè)計、仿真、實現(xiàn)和驗證視頻和圖像處理算法。其中包括設(shè)計 DVR 用的基本基元和高級算法。

　　此外，Xilinx 及其合作伙伴提供了一系列壓縮編碼、解碼和編解碼解決方案，從為需要快速實現(xiàn)的人提供現(xiàn)成的內(nèi)核，一直到為希望通過高質(zhì)量和低比特率使自己的產(chǎn)品與眾不同的人提供構(gòu)造模塊參考設(shè)計和硬件平臺。

　　將 Xilinx FPGA 用于某些編解碼模塊中的極其繁重的處理任務(wù)，可以支持多通道 HD 編碼，節(jié)約寶貴的系統(tǒng)處理器周期，通過減少或排除 DSP 處理器陣列大量節(jié)約成本，并輕松地將從接口到進一步視頻處理的更多功能和能力集成到系統(tǒng)中。最重要的是，F(xiàn)PGA 提供了可擴展的解決方案，從而能在相同的系統(tǒng)中支持不同的配置、額外的通道或新的編解碼方案。

　　Xilinx FPGA 可通過強化系統(tǒng)邏輯和實現(xiàn)新外設(shè)進一步降低 DVR 系統(tǒng)成本。Xilinx 及其合作伙伴還為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的快速發(fā)展提供系統(tǒng)接口：先進的存儲器接口、PCI Express、德州儀器的 VLYNQ 和 EMIF 接口、硬盤接口以及 ITU-R BT656 接口。

        Xilinx 工具簡化設(shè)計

　　Xilinx System Generator for DSP 允許使用 Xilinx 視頻 IP 模塊組構(gòu)建和調(diào)試 Simulink 中的高性能 DVR 系統(tǒng)。使用 System Generator 開發(fā)并實現(xiàn)視頻處理算法，可以獲得經(jīng)過徹底驗證和可以輕松執(zhí)行的設(shè)計。

　　Xilinx 已開發(fā)出各種經(jīng)過預(yù)測試的新型視頻 IP 模塊組。通過在 System Generator 內(nèi)拖放模塊輕松構(gòu)建視頻/影像系統(tǒng)，從而省下用 HDL 語言編寫這些基本構(gòu)建模塊的寶貴時間。

　　為了處理從開發(fā)板到 PC 的龐大的視頻數(shù)據(jù)流，System Generator for DSP 引入了另一種新穎的高速硬件協(xié)同仿真（通過以太網(wǎng)接口）。這種接口允許低延遲的高流量，事實證明它對于在 System Generator 環(huán)境中構(gòu)建視頻/影像系統(tǒng)極其有用。

　　另一種基于 MATLAB 語言的設(shè)計工具是 Xilinx 開發(fā)的 AccelDSP 綜合工具，這是基于高級 MATLAB 語言的工具，用于 Xilinx FPGA 設(shè)計 DSP 模塊。此工具可實現(xiàn)浮點到定點的自動轉(zhuǎn)換，能生成可綜合的 VHDL 或 Verilog 語言，并且可以為驗證創(chuàng)建測試平臺。還可以用 MATLAB 算法生成定點 C++ 模型或 System Generator 模塊。AccelDSP 是 Xilinx XtremeDSP解決方案的一個關(guān)鍵組件，它集最先進的 FPGA、設(shè)計工具、知識產(chǎn)權(quán)內(nèi)核、合作伙伴關(guān)系以及設(shè)計和教育服務(wù)于一體。

         結(jié)論

　　在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻信號由多個攝像機生成。FPGA 從視頻解碼器接收 ITU-R BT656 格式的數(shù)字視頻，然后將經(jīng)過處理的視頻輸出到監(jiān)視器進行顯示，同時將其輸出到數(shù)字媒體處理器或 DSP 進行壓縮后存入硬盤。

　　利用 Xilinx FPGA可以使符合標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)有別于競爭對手的產(chǎn)品，同時還為應(yīng)用獲得最佳平衡。利用 Xilinx 的視頻 IP 模塊組可以輕松構(gòu)建具有高度靈活性和可擴展性的 DVR 系統(tǒng)，從而既滿足低端市場又滿足高端市場。通過將 PCIe 內(nèi)核與視頻 IP 模塊組集成到一起，可以開發(fā)出低成本的 PC 擴展卡視頻監(jiān)控系統(tǒng)。使用 Xilinx FPGA 中的 VLYNQ 內(nèi)核，可以通過 Xilinx FPGA 將來自多部攝像機的眾多視頻流輕松地連接到 TI 的 DaVinci 處理器。

　　AccelChip 與 Xilinx System Generator 的集成將算法開發(fā)者青睞的基于 MATLAB 的算法綜合與系統(tǒng)工程師和硬件設(shè)計者使用的圖形設(shè)計流程結(jié)合起來。它使用豐富的 MATLAB 語言及其附帶的工具箱創(chuàng)建復(fù)雜 DSP 算法的 System Generator IP 模塊。通過合并使用這些工具，設(shè)計團隊可以為實現(xiàn)而利用硬件建模這一最有效的手段，從而讓算法開發(fā)者完全參與 FPGA 的設(shè)計過程，并且更快地完成更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計。