基于FPGA的視頻監(jiān)控時代

視頻監(jiān)控市場及發(fā)展趨勢

不斷升級的安全問題迫使各國政府和機構(gòu)在監(jiān)控和安全設(shè)備上投入巨資。此外，在圖像及視頻處理領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新徹底改變了視頻監(jiān)控行業(yè)，這不限于安防，還包括銀行、交通、教育、零售、醫(yī)療保健，游戲和其他領(lǐng)域。根據(jù)ABI Research的預(yù)測，整個視頻監(jiān)控市場的收入將從2008年的16億美元增加到2015年的29億美元，有9%的復(fù)合年增長率。

視頻監(jiān)控已經(jīng)從模擬標(biāo)準(zhǔn)清晰度攝像機和VCR轉(zhuǎn)變到兆像素的高清攝像機，以及DVR到通過以太網(wǎng)的IP網(wǎng)絡(luò)攝像機的視頻流，到基于云計算的網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(NVR)。取代了現(xiàn)場觀看，連續(xù)記錄和通過記錄材料的可視化搜索，智能攝像機和錄像機目前已能夠?qū)嵤┗谑录匿浵窈蛨缶|發(fā)，并通過記錄材料自動搜索。

這些先進的安防和監(jiān)控設(shè)備與先進的圖像傳感器技術(shù)和半導(dǎo)體的圖像信號處理功能緊密結(jié)合。這些包括攝像機的架構(gòu)，傳感器接口/傳感器橋接、圖像信號處理、高動態(tài)范圍(HDR)處理和視頻分析。

攝相機的體系結(jié)構(gòu)

一個典型的攝相機由圖像傳感器，圖像信號處理器和一些輸出接口所組成。除了這些功能塊之外，攝相機還可以包括視頻壓縮或視頻分析功能。圖1示展示了LatticeECP3 FPGA器件上實現(xiàn)兆像素網(wǎng)絡(luò)攝像機的一個實例。

圖1 用FPGA實現(xiàn)的攝相機架構(gòu)

傳感器接口/傳感器橋接

通常圖像信號處理器(ISP)有一個或多個圖像傳感器接口。最常見的圖像傳感器是CMOS傳感器。較低的分辨率和較低的幀速率傳感器可以通過并行接口連接到ISP。更高分辨率和更高幀速率的圖像傳感器需要高速的接口，包括MIPI、Aptina HiSPi或sub-LVDS接口。低成本的ISP通常只支持一個并行接口。因此，傳感器橋接功能必須能夠轉(zhuǎn)換MIPI、HiSPi sub-LVDS信號至并行接口。低成本的FPGA可用于轉(zhuǎn)換MIPI、HiSPi或sub-LVDS接口至并行接口。在圖2中，萊迪思的MachXO2 FPGA用于轉(zhuǎn)換來自兩個Aptina圖像傳感器(MT9034)的HiSPi傳感器信號到一個并行格式，然后用TI DSP器件(DM8127)進行處理。

圖2 使用FPGA的傳感器接口橋接應(yīng)用

圖像信號處理(ISP)

圖像信號處理器(ISP)通常由多個視頻處理算法組成，對輸入的視頻流，以集束流水線的形式執(zhí)行圖像增強和轉(zhuǎn)換功能。圖像流水線可以實現(xiàn)為軟件在計算機，F(xiàn)PGA或數(shù)字信號處理器(DSP)上運行，或作為一個專用應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)。

圖3 用FPGA實現(xiàn)的圖像信號處理器(ISP)流水線

圖3中展示了一個典型的圖像處理流水線。從CMOS圖像傳感器接收到原始的傳感器數(shù)據(jù)。線性化之后，根據(jù)與它們相鄰的像素值校正有缺陷的傳感器像素。典型的圖像傳感器提供了灰度圖像，通過使用bayer濾波器(稱為de-bayering)轉(zhuǎn)換成紅，綠和藍色。彩色校正矩陣(CCM)用來消除紅色，綠色和藍色像素之間的色度亮度干擾。

自動曝光(AE)模塊自動調(diào)整曝光時間，以彌補不斷變化的光照情況。HDR算法改進了圖像的亮和暗區(qū)域的對比度(HDR將在下一節(jié)中做更詳細的解釋)。自動白平衡(AWB)根據(jù)場景中的一個白色參考點對所有顏色作出調(diào)整。噪聲減小器消除噪聲，在不同的平滑顏色的區(qū)域?？梢娪忻黠@錯誤顏色的隨機點。噪聲隨著溫度和曝光時間而增大。伽瑪校正重新分配原本的攝相機色調(diào)級到更均勻的和更適合人眼觀看的水準(zhǔn)，從而最有效地使用一個給定位的深度。

重疊功能使得文本和圖形能夠在視頻的頂部重疊，用于顯示菜單或攝相機的設(shè)置。根據(jù)特定的要求，可以添加額外的功能模塊。可以變化壓縮算法H.264或JPEG來達到這些要求，可運用運動檢測、目標(biāo)檢測，或人臉識別來進行智能視頻分析。

HDR處理

圖像的質(zhì)量取決于各種因素，包括照明。根據(jù)照明情況，場景的部分區(qū)域可能太暗，而有些區(qū)域太亮。在這些區(qū)域往往看不到細節(jié)。丟失的細節(jié)可能在應(yīng)用中是非常重要的，那里需要作出關(guān)鍵的決策。

圖4 HDR處理實例

動態(tài)范圍(也稱為圖像的最大對比度)描述圖像的最亮點到相同圖像最暗點之間的比率。人的眼睛能夠看到這兩個區(qū)域中的細節(jié)，但大多數(shù)圖像傳感器具有有限的動態(tài)范圍，并且不能夠捕捉相同圖像在這兩個區(qū)域中的細節(jié)。為了能夠在高對比度區(qū)域看到細節(jié)，需要捕獲具有不同的曝光時間的同一場景的多個圖像。需要很短的曝光時間以捕獲非常明亮的區(qū)域，需要長曝光時間以捕獲暗的區(qū)域。

具有不同曝光時間的圖像可以被組合成一個圖像，提高了圖像的動態(tài)范圍。不同曝光時間的場景捕獲和這些圖像整合為一個圖像被稱為高動態(tài)范圍(HDR)處理，也被稱為寬動態(tài)范圍(WDR)處理。HDR處理、全局和局部的色調(diào)映射算法被用來創(chuàng)建單一的圖像，擴展了動態(tài)范圍，在相同圖像的高對比度區(qū)域中顯示出細節(jié)。動態(tài)范圍通常以dB表示。好的HDR圖像的動態(tài)范圍大于或等于90。例如，Aptina720p HDR傳感器(MT9M034)的動態(tài)范圍為120dB。

HDR處理算法有很強的處理功能，尤其是當(dāng)使用更高幀速率的兆像素傳感器時。這些都需要很強的處理能力，現(xiàn)成的圖像信號處理器(ISP)往往無法實現(xiàn)。使用FPGA實現(xiàn)這些復(fù)雜和需要大量資源的的算法是最佳的。相同的FPGA器件可用于實現(xiàn)附加的圖像處理算法。

圖5 基于FPGA的傳感器接口橋接和HDR處理

圖5展示了用松下MN34041圖像傳感器實現(xiàn)HDR。具有不同曝光時間的兩個1080p幀以每秒60幀(fps)的速度捕獲。通過一個行緩沖器傳遞一個幀，同步這兩個捕獲的幀。同步后，兩幀被組合，并加工成每秒30幀的1080p幀。在上述的例子中，傳感器接口、行緩沖器控制器、幀合成器和色調(diào)映射算法是用單片萊迪思的MachXO2 FPGA來實現(xiàn)的。處理的幀然后被傳遞的圖像信號處理器，用于進一步的處理。

視頻分析

視頻分析(VA)具有能夠自動分析視頻的功能， 以檢測并確定事件。視頻分析可用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括安防監(jiān)控、汽車、交通控制、以及零售。運動檢測是最流行的視頻分析算法，相對固定的背景場景檢測運動。Intellivision公司針對基于LatticeECP3 HDR-60攝像機開發(fā)套件已經(jīng)開發(fā)了一套完整的智能視頻分析和移植，可實現(xiàn)智能安全攝像機的設(shè)計。該套件包括智能視頻移動檢測、智能入侵檢測，以及攝像機篡改檢測。智能視頻移動探測可以區(qū)分動物和人，必要時會發(fā)送警報。當(dāng)有人打開一扇門或進入受限制的空間時，智能入侵檢測會發(fā)出警報。有了攝像機篡改檢測功能，如果攝相機被移動，阻擋或破壞聚焦，可以發(fā)出警報并采取相應(yīng)的行動。

圖6 視頻分析演示

針對基于HDR-60攝像機開發(fā)套件的視頻分析演示，圖6展示了基于以太網(wǎng)的圖形控制界面。黃線表示計數(shù)器演示，用戶能夠在屏幕的水平，垂直或?qū)蔷€位置上定位這條黃線。如果一個對象穿過這根線，那么這個對象從一個位置到另個位置就會被計數(shù)。此功能可以用來數(shù)出人們進入或退出某個位置的數(shù)目。紅色方框表示一個受限制的區(qū)域，可以對紅色框的大小和位置進行編程，以滿足特定應(yīng)用。一旦對象進入現(xiàn)場，就會被檢測到。對象進入紅色框表示的受限制區(qū)域可以設(shè)置警報。自動檢測和報警可以取代昂貴的攝像機圖像的實時監(jiān)控。在圖6中未展示的第三個功能是攝像機的篡改檢測。當(dāng)攝相機被遮蓋或移動時，會發(fā)送警報。

總結(jié)

更高分辨率和更高幀速率圖像傳感器的需求在繼續(xù)增長。這些圖像傳感器和先進的圖像信號處理算法的整合，如HDR和智能視頻分析，開辟了新的、還無法想象的應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)有的信號處理器跟不上新的復(fù)雜應(yīng)用的性能要求?？删幊蘁PGA器件能夠同時與多個高分辨率圖像傳感器接口，拼接在一起成為全景或平鋪格式，并在同一芯片上運行HDR和智能視頻分析算法，因此FPGA器件是一個的理想選擇。