基于FPGA的視頻監(jiān)控/安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解決方案

系統(tǒng)集成組合了不同器件的優(yōu)勢：DSP處理器有時(shí)集成了ASSP IP模塊，ASSP/ASIC有時(shí)集成了處理器，FPGA有時(shí)集成了硬處理器和硬IP核。

對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)(圖1)，由于這些任務(wù)的時(shí)序性質(zhì)，用DSP處理器可以有效實(shí)施視頻分析功能和處理器塊。然而在有些情況下，FPGA的加速功能有助于進(jìn)行一些視頻分析功能，如運(yùn)動(dòng)檢測、面部識(shí)別等。

如圖1所示的H.264編碼器是一個(gè)要求高吞吐量、硬件靈活性低、大且復(fù)雜的功能塊，通常是用ASSP或ASIC來實(shí)現(xiàn)，以獲得小尺寸的解決方案。

但是ASIC和ASSP帶來了高昂的非重復(fù)性工程費(fèi)用成本，除非批量非常大。如果只有一小部分用戶使用特殊的功能模塊，那么FPGA解決方案可提供更好的回報(bào)。對(duì)于ASIC和ASSP，這些器件有限的功能和固有的不靈活性，不允許在設(shè)計(jì)完成后根據(jù)市場的要求改進(jìn)或添加新的功能。FPGA卻能提供廣泛的功能和高度的靈活性。

具有下列要求的視頻監(jiān)控系統(tǒng)模塊將受益于FPGA的靈活性:(1)這視頻和音頻接口以及多路復(fù)用器需要硬件的靈活性，以支持不同的攝像機(jī)和不同數(shù)目的攝像機(jī)。(2)DDR接口必須支持不同的存儲(chǔ)器總線寬度和不同的DDR標(biāo)準(zhǔn)。(3)支持各種圖像信號(hào)處理算法(二維FIR濾波器、二維中值濾波器、縮放、邊緣檢測、伽瑪校正、alpha混合、白平衡、鏡頭陰影校正、缺陷像素校正、去馬賽克、逐行掃描，彩色空間校正等)，在一個(gè)特定的視頻監(jiān)控攝像機(jī)實(shí)施方案中可能需要各種算法的子集。這些算法結(jié)構(gòu)的有效實(shí)現(xiàn)取決于吞吐量的要求，而吞吐量的要求又取決于系統(tǒng)中攝像機(jī)的數(shù)量和視頻標(biāo)準(zhǔn)采樣率。(4)在視頻監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)中并非總是需要硬盤驅(qū)動(dòng)器接口和以太網(wǎng)接口，但可作為選擇方案。(5)并非總是需要顯示器接口，當(dāng)需要它時(shí)，有很多不同的可以實(shí)現(xiàn)的顯示器接口可供選擇。(6)只在某些系統(tǒng)中需要加密和認(rèn)證。根據(jù)不同視頻格式的不同的吞吐量要求，以及在一個(gè)特定的監(jiān)控系統(tǒng)中不同的攝像機(jī)數(shù)量，最佳加密和認(rèn)證系統(tǒng)可能需要不同的尺寸最優(yōu)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。

許多網(wǎng)絡(luò)IP攝像機(jī)受到了非常緊湊的外形、功耗和成本的制約，特別是嵌入式攝像機(jī)/DVR系統(tǒng)。采用非易失FPGA作為一種解決方案能解決這些問題，并獲得FPGA的傳統(tǒng)優(yōu)勢。

利用FPGA實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化

采用FPGA實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括FPGA加速DSP處理的功能。非易失性FPGA可以使FPGA在視頻監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中更具吸引力，特別是對(duì)移動(dòng)/交通運(yùn)輸系統(tǒng)中使用的嵌入式攝像機(jī)/DVR系統(tǒng)來說。這些系統(tǒng)對(duì)便攜性、功耗和電路板面積有嚴(yán)格的要求。

這些應(yīng)用對(duì)靈活性和可擴(kuò)展性也有很高的要求，但前提是不能降低對(duì)功耗、電路板面積和便攜性的要求。例如，一些網(wǎng)絡(luò)IP攝像系統(tǒng)有多個(gè)攝像機(jī)和傳感器，即使電路板面積非常有限，也必須提供多個(gè)視頻流的通道。其它網(wǎng)絡(luò)IP攝像機(jī)往往采用非常小的外殼，電路板接近MicroSD卡的大小，這種系統(tǒng)的原始設(shè)備制造商所面臨的挑戰(zhàn)是用盡可能少的芯片實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)還能滿足功能、外形和低功耗的要求。

非易失性FPGA解決方案，如LatticeXP2器件系列把基于SRAM FPGA的性能和靈活性，與非易失Flash技術(shù)固有的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。LatticeXP2系列在安全和監(jiān)控應(yīng)用方面有許多特點(diǎn)，包括該芯片支持DDR/DDR2、針對(duì)低成本顯示器的7:1 LVDS接口以及18×18位乘法的DSP模塊，這些對(duì)在視頻監(jiān)控應(yīng)用中經(jīng)常需要的圖像信號(hào)處理功能特別有用。當(dāng)LatticeXP2-5和LatticeXP2-8器件與低成本芯片級(jí)封裝在一起時(shí)， LatticeXP2非易失FPGA器件系列為原始設(shè)備制造商提供很多價(jià)值，特別當(dāng)設(shè)計(jì)緊湊的網(wǎng)絡(luò)IP攝像機(jī)時(shí)。

圖3：LatticeXP2非易失器件系列具有低成本的封裝。

本文小結(jié)

對(duì)于大量的各種視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)和DVR的應(yīng)用，F(xiàn)PGA所具有硬件靈活性、并行處理能力以及零非重復(fù)性工程費(fèi)優(yōu)勢。采用非易失FPGA不再需要外部引導(dǎo)芯片PROM，可以構(gòu)建一個(gè)提供瞬時(shí)啟動(dòng)功能的單芯片解決方案。帶有片上密鑰存儲(chǔ)并支持內(nèi)置的AES 128位加密技術(shù)的特性為保護(hù)FPGA編程位流、防止外部篡改提供了安全保障。許多安全攝像系統(tǒng)解決方案，包括嵌入式攝像機(jī)/DVR系統(tǒng)，都能從傳統(tǒng)的基于SRAM的FPGA中受益，但當(dāng)功耗、電路板面積、成本和集成度特性非常重要時(shí)，非易失FPGA是一個(gè)更具吸引力的替代方案。