發布日期：2022-10-09 點擊率：228
視頻監控系統在火車站、機場、銀行、娛樂場、商場甚至家庭的安保方面都是一種關鍵設備。隨著安全風險的日益增大,在各種應用場合對已發事件進行視頻監控和記錄的需求都在逐步上升,這就要求視頻監控系統的新結構必須具備可擴展性,以便為日益多樣化的視頻監控需求提供高性價比的解決方案。
在視頻監控系統結構所面臨的眾多挑戰中,上市時間壓力、CODEC新標準的出臺和需求范圍的不斷擴大(包括高級目標檢測、運動檢測、目標跟蹤和目標跟蹤功能) 還只是其中的一小部分。要應對這些挑戰,視頻監控系統的實現就必須能根據不同性能要求而進行相應調整。
Xilinx的 FPGA產品是各種視頻監控系統理想的解決方案,不論它是低端系統還是高端系統,是獨立系統還是PC擴展卡系統。
視頻監控與DVR系統
高級數字視頻壓縮技術在視頻監控系統的數字錄像機(DVR)中正得到快速普及。隨著大多數DVR制造商從MPEG4轉為采用 高清(HD) CODEC,對提高分辨率和壓縮率的要求也變得更急切。專用標準產品(ASSP) 比較適合量大的應用,但缺乏靈活性,而且開發時間過長,成本也高。大多數高級數字媒體處理器連實現 HD解碼都比較困難,何況 HD編碼比解碼還復雜得多。因此,要滿足 HD的性能要求,最佳方案就是采用一塊FPGA加一塊外部DSP或數字媒體處理器。
采用低成本的Xilinx FPGA產品還能進一步提供運動檢測、視頻量化、色域轉換(color-space conversion)、硬盤接口、DDR2存儲器接口等功能,以及將兩個27MHz的 ITU-R BT656數據流通過時分復用合為一路54MHz的數據流,同時為DSP處理器提供視頻加速。將兩個ITU-R BT656數據流復用為一個之后,系統只需單通道的視頻端口就能獨立傳送整個雙通道的視頻數據。這種實現方式在連接只有一個ITU-R BT656視頻輸入端口的數字媒體處理器時非常實用。圖1所示就是上述推薦系統的結構框圖。
圖1:利用FPGA和數字媒體處理器搭建的視頻監控系統。
對采用只有單個ITU-R BT656視頻輸入端口的TI達芬奇處理器的DVR設計而言,更高效 的實現方案是在數據流送入達芬奇處理器之前,將兩個以上的ITU-R BT656數據流時分復用為單個VLYNQ數據流。這種方案減少了用于視頻數據流傳輸的I/O管腳,因而縮小了器件的封裝,降低了系統成本。圖2所示為該設計的框圖。
圖2:利用FPGA和達芬奇處理器搭建的視頻監控系統。
PC擴展卡形式的DVR系統
PCI總線在PC機上已成功應用了10余年。但今天的PC擴展卡DVR系統所要求的帶寬已遠遠超出了PCI總線所能提供的極限。
未壓縮的視頻(在除去空白幀之后)數據率約為165 Mbps。于是,當PCI總帶寬為1 Gbps時,一條PCI總線上最多可同時連接6個發送未壓縮視頻的捕捉或回放設備。為降低總線帶寬的占用,可以在擴展卡上采用一塊MPEG4或 CODEC芯片組,但這樣會提高成本,而且可選器件也局限于現有的MPEG4芯片組。
PCI Express (PCIe)技術在流量上有了很大提高。PCI Express可以細分為多個通道,每個通道在出和入上均包含一對差分對,每對差分對支持2 Gbps的數據流量。一塊主板上的每個PCIe插槽都有自己的通道,這些通道是不與其他插槽共享的。每個插槽可配置為16通道(即x16)、8通道(x8) 、4 通道 (x4)或 1通道 (x1)。因此,每塊采用PCIe總線的擴展卡可提供的數據流量從2 Gbps(配置為x1通道時)到32 Gbps(配置為x16通道時)。PCIe所支持的高數據流量讓我們不再只局限于每卡連接6通道的未壓縮視頻。
采用圖1所示的設計,我們就能用PC機代替數字媒體處理器,并將視頻流通過PCIe總線送入PC機,從而快速輕松地實現一套PC擴展卡DVR系統。視頻模數轉換器產生4個獨立的數字ITU-R BT656流,然后將其送入一個低成本的Spartan-3器件進行預處理。這塊FPGA將視頻數據中的空白和同步去除,并將其打成適合PCIe的數據包,然后將其送入Xilinx PCIe內核。接著由軟件接收、顯示和處理輸入的視頻,或將其存儲到磁盤中。圖3就是這樣一個PC擴展卡視頻監控系統。
圖3:PC擴展卡視頻監控系統。
Xilinx的視頻和圖象處理算法
Xilinx 的FPGA是十分理想的實時數字視頻、圖象處理和濾波平臺,其功能從多相視頻轉換器、兩維FIR濾波器、屏幕顯示,到覆蓋(overlay)和α混合等簡單效果甚至格式和色域轉換等。表1列出了一些常用視頻IP模塊組的應用指南。
表1:視頻IP模塊組應用指南。
Xilinx FPGA無與倫比的DSP處理能力意味著它可以支持非常高的分辨率(甚至是1080p的圖像質量),同時減小大型DSP陣列的尺寸。此外,Xilinx FPGA還是可重復編程的硬件,因此很容易對基于硬件的高性能新視頻和圖像算法進行試驗,從而直接成就最終產品的獨特性。
實用的IP資源
為加快視頻監控系統中視頻和圖像處理算法設計、仿真、實現和驗證的進程,Xilinx還提供了豐富的視頻IP模塊組,其中既包括設計DVR所需的基礎的簡單算法,也包含高級算法。
另外,Xilinx及其合作伙伴還提供了一系列壓縮編碼、解碼和編解碼方案,從為需要快速實現設計的客戶提供的現貨內核,到為希望通過降低比特率來提供更高圖像質量、并以此實現產品差異化的客戶提供的模塊化參考設計和硬件平臺。
采用Xilinx 的FPGA來完成某些編解碼模塊中極高強度的處理任務就意味著,產品不但可支持多通道高清編碼、節省寶貴的系統處理器周期,而且可通過減少或消除對DSP處理器陣列的要求而真正做到成本削減,并輕松將更多特性和功能(從接口特性到更強大的視頻處理功能)集成進系統。最重要的是,FPGA提供的是一種可擴展方案,因此可在同一個系統中支持不同的系統結構、額外通道或新的編解碼方案。
通過增強系統邏輯和實現新外設,Xilinx FPGA還能進一步降低DVR系統的成本。同時,Xilinx及其合作伙伴還為快速開發視頻監控系統提供了以下系統接口:高級存儲器接口、PCI Express接口、TI的VLYNQ和 EMIF接口、硬盤接口,以及ITU-R BT656接口。
利用Xilinx提供的工具簡化設計
Xilinx 提供的System Generator for DSP允許在Simulink下用Xilinx 的視頻 IP模塊組搭建和調試高性能DVR系統。采用System Generator開發和實現視頻處理算法可以完成經過徹底驗證而且執行簡單的設計。
Xilinx已開發出多種經過預測試的新的視頻IP模塊組,我們只需在System Generator中拖放模塊就能輕松構建起自己的視頻/圖像系統。這為開發人員節省了寶貴的時間,使他們無需再用HDL語言編寫這些基本模塊的代碼。
為了處理由開發板發往PC機的大量視頻數據流,System Generator for DSP還引入了另一種新的高速硬件協同仿真(通過一個以太網接口實現)。該接口可在低延遲下實現高流量,事實證明這在System Generator環境下構建視頻/圖像系統時非常有用。
Xilinx還推出了另一款基于MATLAB語言的設計工具AccelDSP綜合工具,這是用于在Xilinx FPGA上設計DSP模塊的高級工具。它可以自動完成浮點到定點的轉換,產生可綜合的VHDL或Verilog代碼,并創建一個測試平臺用于驗證。我們還可以根據一段MATLAB算法生成一個定點的C++模型或System Generator模塊。AccelDSP是Xilinx XtremeDSP方案中的關鍵組件,而Xilinx XtremeDSP則是一套結合了最先進的FPGA、設計工具、IP核和合作伙伴關系以及設計和培訓服務的方案。
本文小結
在一個視頻監控系統中,視頻信號是通過多臺攝像像機產生的。FPGA的作用就是接收來自視頻編碼器的ITU-R BT656格式數字視頻信號并將處理后的視頻數據送到監視器上顯示和送至數字媒體處理器或DSP中進行壓縮,并存儲至硬盤。
采用Xilinx的 FPGA,客戶就能在其兼容標準的系統中實現與競爭產品的差異性,同時仍能取得針對應用的最佳平衡點。而有了Xilinx提供的視頻IP模塊組,客戶更能輕松構建一個高度靈活和可調整的DVR系統,以便同時滿足低端和高端市場的需求。Xilinx FPGA中提供的VLYNQ內核能讓客戶輕松地將多臺攝像機發來的大量視頻數據流發送到TI的達芬奇處理器進行處理。
AccelChip與Xilinx System Generator這兩種工具的集成則同時兼顧了算法開發人員偏好的基于MATLAB的算法綜合開發方式與系統構建師和硬件設計師所偏好的圖形化設計流程,因此設計師們可以利用豐富的MATLAB語言和附帶的工具箱來創建復雜DSP算法的System Generator IP模塊。通過使用這些工具,設計小組就能用最高效的硬件建模方式進行設計實現,并讓算法開發人員在FPGA設計過程中就全面參與,從而更快實現更高品質的設計。
作者:Hong-Swee Lim,DSP產品和解決方案營銷部高級經理
David Zhang,DSP專家
賽靈思亞太區有限公司
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