基于Spartan-3A DSP的安全視頻系統(tǒng)分析

單個(gè)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(jì)算密集的分析運(yùn)算了，比如交通監(jiān)控應(yīng)用中視頻分析輸出。此外，也沒(méi)有強(qiáng)大可靠的解決方案能夠在全視頻幀速率下處理高清晰(HD)視頻數(shù)據(jù)。這也迫使系統(tǒng)工程師采用多芯片或其它單芯片系統(tǒng)?；谫愳`思的Spartan-3A DSP 3400A的方案正是滿足此要求的產(chǎn)品。范圍廣泛的安全分析應(yīng)用對(duì)處理帶寬的要求迫使企業(yè)重新考慮系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方法。單個(gè)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(jì)算密集的分析運(yùn)算了。此外，也沒(méi)有強(qiáng)大可靠的解決方案能夠在全視頻幀速率下處理高清晰(HD)視頻數(shù)據(jù)。這也迫使系統(tǒng)工程師采用多芯片或其它單芯片系統(tǒng)，不過(guò)，這兩種解決方案各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
由多片DSP組成的多芯片系統(tǒng)一般可為設(shè)計(jì)人員提供更為熟悉的設(shè)計(jì)流程，但增加了PCB成本、占用板級(jí)/系統(tǒng)級(jí)空間，同時(shí)還可能帶來(lái)系統(tǒng)性能問(wèn)題。另一方面，單芯片解決方案看起來(lái)在成本、封裝和功耗方面具有優(yōu)勢(shì)，但可能增加設(shè)計(jì)人員的學(xué)習(xí)難度，提高設(shè)計(jì)項(xiàng)目的復(fù)雜性和工程成本，且有可能拖延產(chǎn)品發(fā)布的時(shí)間。這也是視頻分析公司Eutecus在開(kāi)發(fā)下一代安全分析產(chǎn)品——多核視頻分析引擎(MVE)時(shí)遇到的難題。
Eutecus的第一代安全分析產(chǎn)品基于德州儀器(TI)的達(dá)芬奇(DaVinci)數(shù)字媒體片上系統(tǒng)(SoC)平臺(tái)。但第二代產(chǎn)品中需要更強(qiáng)大的處理能力和系統(tǒng)集成度，而多個(gè)DSP器件的解決方案無(wú)論在成本上還是在系統(tǒng)級(jí)效益上都沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。這個(gè)方案需要能方便地將上一代產(chǎn)品移植過(guò)來(lái)，并且能為第二代MVE提供更多特性的單芯片解決方案。
賽靈思的Spartan-3A DSP 3400A正是滿足此要求的產(chǎn)品。該器件提供了126個(gè)專用XtremeDSP DSP48A邏輯片，可以提供足夠的性能來(lái)滿足我們的系統(tǒng)要求，并且價(jià)格也很有吸引力。
當(dāng)進(jìn)一步了解到賽靈思嵌入式開(kāi)發(fā)套件(EDK)支持Spartan-3ADSP之后，我們對(duì)設(shè)計(jì)移植方面的擔(dān)心也很快消失了。賽靈思公司的EDK嵌入式開(kāi)發(fā)套件可以實(shí)現(xiàn)基于賽靈思MicroBlaze嵌入式處理器的雙處理器硬件架構(gòu)，與TI公司DaVinci平臺(tái)雙處理器硬件架構(gòu)類似。
選定器件之后，開(kāi)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(gè)單芯片視頻安全分析設(shè)計(jì)。然后，在FPGA構(gòu)造中創(chuàng)建了適量的加速器模塊來(lái)滿足性能要求，其中包括在全幀速率下處理高清晰視頻。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(guó)防、機(jī)器視覺(jué)和監(jiān)控市場(chǎng)。
視頻分析產(chǎn)品簡(jiǎn)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(jí)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清晰視頻。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(cè)和分類算法。圖1給出的是一個(gè)交通監(jiān)控應(yīng)用中視頻分析輸出的例子，針對(duì)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(jìn)行了分類，所有這些都是并發(fā)進(jìn)行的并且利用不同的顏色進(jìn)行了標(biāo)記。

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

設(shè)計(jì)C-MVA協(xié)處理器的目標(biāo)是能夠擴(kuò)展其運(yùn)算的復(fù)雜度以支持密集物體空間的分析功能，此時(shí)需要重疊分析和處理不完整的對(duì)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(jì)算可擴(kuò)展能力也不好。而FPGA在這兩個(gè)方面則具有更大的靈活性。
Spartan-3ADSP 3400A FPGA中的126個(gè)XtremeDSP DSP48A邏輯片能夠提供高達(dá)30GMAC的DSP性能，因此完全能夠滿足視頻分析應(yīng)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(guān)的事件檢測(cè)事例。我們?cè)诒?中做了小結(jié)。

表1： 典型事件檢測(cè)應(yīng)用中支持的視頻分析功能。

此外，通過(guò)賽靈思FPGA和ISE設(shè)計(jì)套件工具，視頻分析設(shè)計(jì)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(guò)快速建立標(biāo)準(zhǔn)分辨率和高清晰視頻處理原型，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 DSP3400A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(gè)好處是可以利用同一硬件平臺(tái)創(chuàng)建多種不同的衍生產(chǎn)品。由于我們已經(jīng)使用VHDL設(shè)計(jì)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(lái)創(chuàng)建不同的FPGA編程文件，這樣就構(gòu)成了高度可擴(kuò)展的解決方案，可以輕松調(diào)節(jié)適應(yīng)范圍廣泛的視頻分析應(yīng)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TMS320DM6?46。該芯片包括ARM9x處理器和C6?x+DSP協(xié)處理器。在設(shè)計(jì)中，我們使用ARM9x做通信和控制，用C6?x+做分析算法的DSP處理。然而，兩者組合起來(lái)構(gòu)成的系統(tǒng)仍然無(wú)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(zhuǎn)向了Spartan-3A DSP FPGA系列。
通過(guò)創(chuàng)建擁有兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行MicroBlazev7軟內(nèi)核處理器的賽靈思嵌入式系統(tǒng)，我們簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)移植任務(wù)。這種架構(gòu)使我們可以分別移植ARM和DSP處理器代碼，從而大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)移植過(guò)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(shè)計(jì)。
我們的MVE引擎包括運(yùn)行在MicroBlaze(MB0)上的InstantVision嵌入式軟件，運(yùn)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(yùn)行在FPGA構(gòu)造上的硬件加速器IP內(nèi)核模塊鏈。
利用ISE設(shè)計(jì)套件和MicroBlaze軟核，我們的ARM和DSP代碼移植工作相當(dāng)簡(jiǎn)單。一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是，InstantVision跨平臺(tái)環(huán)境是采用高級(jí)標(biāo)準(zhǔn)C/C++語(yǔ)言編寫(xiě)的，只需要很少的修改。

圖2：Dual-MicroBlaze(r) System-on-Chip(SoC)架構(gòu)MVE引擎協(xié)處理器框圖。

一旦完成代碼移植，我們驗(yàn)證其功能的正確性并且識(shí)別出性能瓶頸。事實(shí)表明，優(yōu)化和加速對(duì)原TI處理器開(kāi)發(fā)的C/C++代碼是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)，因?yàn)楫?dāng)初在開(kāi)發(fā)這一平臺(tái)的過(guò)程中，我們?cè)趨R編級(jí)優(yōu)化時(shí)使用了幾個(gè)DaVinciC6?x+協(xié)處理加速模塊。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，我們遵循以下一系列步驟：首先利用高級(jí)C函數(shù)來(lái)重寫(xiě)這些模塊。最后，用運(yùn)行在FPGA構(gòu)造上的同等功能加速器模塊來(lái)代替這些模塊的大部分功能。
從功能的觀點(diǎn)來(lái)看，MVE解決方案由三層組成，將接收標(biāo)準(zhǔn)/高清晰視頻流作為輸入數(shù)據(jù)，然后生成事件檢測(cè)元數(shù)據(jù)。生成的元數(shù)據(jù)提供目標(biāo)/事件跟蹤和分類支持，同時(shí)將一些用于調(diào)試目的的圖像流也作為分析輸出。我們的功能模塊要么通過(guò)運(yùn)行在MicroBlaze處理器上的嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)，要么就以專用IP內(nèi)核方式實(shí)現(xiàn)。我們將這些專用硬件加速器置入FPGA構(gòu)造，這些加速器構(gòu)成的加速器鏈就組成了C-MVA分析協(xié)處理器。

圖3：視頻分析算法組織的框圖。

如圖3所示，MVE視頻分析引擎的三個(gè)算法層包括幾個(gè)主要的功能模塊。利用FPGA中可用資源動(dòng)態(tài)配置的專用IP內(nèi)核可大大加速這些功能模塊。C-MVA協(xié)處理器的設(shè)計(jì)基于這些IP內(nèi)核，整個(gè)分析算法的前端和中層(參見(jiàn)圖4)加速也是如此。我們可以利用賽靈思ISE設(shè)計(jì)套件支持的這種模塊化設(shè)計(jì)方法同時(shí)在性能和功耗方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

圖4：MVE分析引擎、InstantVision和驅(qū)動(dòng)軟件。