視頻監(jiān)控/安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

2009/09/04

圖1：多攝像機(jī)的DVR視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖

　　圖1是一種通用的多攝像機(jī)的DVR視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻源來自CMOS視頻傳感器、CCD視頻傳感器或模擬視頻源。專有的視頻接口將輸入視頻流轉(zhuǎn)換成普通的格式，然后對(duì)不同的視頻流(以及音頻)進(jìn)行多路復(fù)用,在圖像信號(hào)處理單元進(jìn)行預(yù)處理。視頻預(yù)處理的目的是降低噪聲和消除像素缺陷。

　　視頻分析技術(shù)應(yīng)用于檢測在預(yù)定義畫面中的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)檢測輸出可減少所需的存儲(chǔ)容量。在一些視頻監(jiān)控應(yīng)用中，視頻分析是必需的，如人/車統(tǒng)計(jì)、汽車的車牌號(hào)碼識(shí)別和/或人臉識(shí)別。

　　一個(gè)典型的具有多個(gè)攝像機(jī)視頻源的視頻監(jiān)控系統(tǒng)總是會(huì)生成大量的數(shù)據(jù)，因此減少所需的存儲(chǔ)容量非常重要。MPEG-4、H.264、和MJPEG被用來減少所需的存儲(chǔ)容量。H.264是一種針對(duì)視頻監(jiān)控應(yīng)用的流行壓縮算法，因?yàn)樗芤韵喈?dāng)?shù)偷谋忍芈?只有MPEG-2或MPEG-4第2部分一半或更低的比特率 )提供良好的視頻質(zhì)量的功能。

　　經(jīng)過壓縮后的數(shù)據(jù)通過硬盤驅(qū)動(dòng)器接口存儲(chǔ)至視頻存儲(chǔ)服務(wù)器，或通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。視頻數(shù)據(jù)傳送到顯示器之前通常是取自硬盤驅(qū)動(dòng)器，并經(jīng)過了解碼以及一些圖像后處理，如縮放、色彩空間轉(zhuǎn)換或覆蓋應(yīng)用。通常情況下，存儲(chǔ)器接口(如DDR2)是用來存儲(chǔ)視頻幀。此外，某些系統(tǒng)要求視頻內(nèi)容的實(shí)時(shí)加密以確保安全和源/用戶身份驗(yàn)證。最后，需要用處理器控制和協(xié)調(diào)/排定各種不同的任務(wù)。

圖2：根據(jù)吞吐量、靈活性、批量和形狀因子要求進(jìn)行選擇的步驟

　　圖2說明了系統(tǒng)的要求，如吞吐量、靈活性、預(yù)計(jì)批量和形狀因子是如何推動(dòng)不同的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和器件的。對(duì)于低數(shù)據(jù)吞吐量的要求，DSP處理器是最節(jié)省成本的器件。然而，產(chǎn)品壽命期間的預(yù)計(jì)批量以及硬件的靈活性會(huì)大大響設(shè)計(jì)者在ASIC/ASSP和FPGA器件之間作出選擇。如果是硬件靈活性低的系統(tǒng)要求和預(yù)計(jì)有大的批量，設(shè)計(jì)者則青睞于ASIC/ASSP解決方案；而對(duì)于硬件靈活性高的系統(tǒng)要求和較小的預(yù)期批量，設(shè)計(jì)者青睞FPGA解決方案。常見的小型視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)有小尺寸的要求，設(shè)計(jì)者青睞采用非易失性FPGA ，因?yàn)樗鼈儾恍枰~外的外部非易失性配置存儲(chǔ)器件。

　　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，F(xiàn)PGA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，F(xiàn)PGA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?cái)z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)。

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。

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