目前，視頻監視行業使用模擬CCTV攝像機和接口作為監視系統的基礎設施。這些系統組成不容易擴展，視頻分辨率低，信號處理功能較弱，甚至不進行信號處理。然而，下一代視頻監視系統將逐漸采用新的數字LAN攝像機、復雜的圖像處理和IP承載視頻等技術來替代這些系統組成，它們不僅是簡單的監視攝像機系統，同時還是視頻通信系統。

新的監視系統基于互聯網協議（IP），具有更大的可伸縮性和靈活性以及計算機安全性?？梢圆捎酶鞣N編碼和解碼標準來傳送視頻流（MPEG4 CODEC是目前使用的標準）。除了CODEC功能以外，圖像預處理和后處理提高了實時圖像質量，降低了延時。設計人員使用帶有嵌入式DSP模塊、存儲器和接口的可編程邏輯，能夠滿足新系統的要求。

數字視頻攝錄機體系結構

在數字視頻攝錄機（DVR）系統中，多臺模擬CCTV攝像機與中央視頻交換機相連，實現存儲、縮放、圖像處理和顯示等功能。由于壓縮比較復雜，成本高，視頻分辨率和質量比較低。移動探測等特殊處理功能占用了中央交換機大量的存儲資源。因此，這種體系結構靈活性不夠，擴展性不好，視頻監視的質量和監視范圍有限。

一個典型的DVR系統（圖1所示）采用了內部或者外部視頻矩陣來連接攝像機和監視器。這類系統需要多路輸出和輸入復用，適合采用可編程邏輯提高系統的靈活性和擴展性。

表1列出了Altera FPGA系列在DVR功能（表2）中的應用情況。

網絡視頻攝錄機體系結構

網絡視頻攝錄機（NVR）系統靈活性更大，可以同時使用傳統的模擬CCTV攝像機和新的數字LAN攝像機。LAN攝像機向中央文件服務器發送JPEG（低分辨率）或者MPEG4（高分辨率）壓縮的視頻流，進行存儲。存儲容量取決于視頻分辨率（象素）、壓縮類型、幀速率以及連續/間隔記錄等。本地視頻服務器將模擬視頻轉換為數字格式，在LAN上傳送。所有這些網絡視頻數據都被傳送到存儲區域網絡（SAN），進行記錄。圖2是NVR設置的例子。

視頻壓縮和圖像處理

視頻數據壓縮有很多不同的標準。所采用的壓縮標準對硬件系統要求有影響，包括存儲器、數據速率和存儲容量等。最流行的壓縮技術包括JPEG、H.263、Motion JPEG， MPEG和Wavelet。而H.26？的壓縮效率較高，下一代監視系統很可能采用這種標準。在帶寬受限的網絡中傳送高質量視頻信號時，效率扮演了重要角色。例如，6？0 x 480象素30fps的彩色傳輸需要26Mbytes/s的數據速率。必須降低（壓縮）速率，使其能夠在雙絞線或者銅纜中傳輸。

有兩種類型的視頻壓縮速率：固定比特率（CBR）和可變比特率（VBR）。對于帶寬有限的實時通信信道，CBR限制了數據速率，當圖像中出現高質量的移動細節時，會降低圖像質量，導致顯示圖像中出現圖像塊。VBR根據是否出現圖像移動來調整速率，這對于視頻監視系統存儲非常有用。支持VBR的H.26？壓縮在安全視頻存儲方面效率最高。

此外，在壓縮方法上，其他視頻圖像處理技術提高了視頻流預處理和后處理的視頻質量。由于分辨率的提高，以及壓縮技術的進展，對高性能的需求在不斷增長，同時還要保持體系結構的靈活性，方便進行快速更新。隨著技術的成熟和產量的提高，降低成本將成為人們關注的焦點。圖3是使用FPGA和ASSP的典型視頻監視系統設置。

系統體系結構選擇包括標準單元ASIC、ASSP，以及數字信號處理（DSP）或者介質處理器和FPGA等可編程解決方案。這些方案各具優缺點，最終選擇取決于最終設備要求和方案的可行性?？紤]到上面介紹的發展趨勢，理想的監視體系結構應具有以下特征：高性能、靈活性、易于更新、低開發成本，隨著應用的成熟和產量的提高，能夠通過移植降低成本。

高性能

性能不僅體現在壓縮上，還體現在預處理和后處理功能上。事實上，在很多情況下，這些功能要比壓縮算法本身對性能的影響更大。這類功能的例子包括縮放、去隔行、濾波和色彩空間轉換等。

對于視頻監視，對高性能的要求排除了單處理器體系結構，因為一個器件無法滿足性能要求。目前最好的1GHz DSP無法進行H.26？ HD解碼，而H.26？ HD編碼要比解碼復雜10倍。FPGA是唯一能夠解決這一矛盾的可編程方案。在某些情況下，最好的解決方案是結合FPGA和外部DSP處理器。

靈活性支持了產品方便面市，方便了產品更新

當技術快速發展時，體系結構必須足夠靈活，能夠方便的進行更新。在這些應用中無法使用標準單元ASIC和ASSP。ASSP一般針對大批量消費類市場，產品容易過時，對大部分應用而言，選擇ASSP的風險較大。

低開發成本

考慮到掩模、芯片、軟件、設計驗證和布板等成本，開發一個典型90nm標準單元ASIC的成本會高達3千萬美金。只有產量非常大的消費類市場能夠解決如此昂貴的開發成本。

低成本AUP移植途徑

隨著標準的穩定和產量的提高，應該具備低成本移植途徑。這通常意味著市場關注的ASSP或者標準單元定制ASIC器件。然而，定制芯片成本不斷攀升，只有在大批量消費類應用中采用這些方案才具有一定的經濟性。大部分視頻和圖像芯片公司的主要業務包括視頻攝錄機、機頂盒、數字照相機、蜂窩電話等便攜式產品，以及LCD TV和監視器等。因此，如果設計的產品批量不大，那么最好考慮FPGA，它不像ASSP那樣只針對特定的功能，由于產品很有可能過時，即使當時最好的解決方案也可能是風險很高的選擇。

Altera視頻和圖像處理解決方案

考慮到上面闡述的問題，FPGA非常適合應用于視頻和圖像處理領域。Altera FPGA具有以下特點，是視頻和圖像處理體系結構最好的選擇：

高性能：HD處理可以在一片Altera FPGA中實現。

靈活性：Altera FPGA能夠迅速更新體系結構，滿足不斷發展的需求，同時其可伸縮性使得FPGA能夠應用于低成本高性能系統中。

低開發成本：Altera的視頻開發套件起價只有1，095美金，包括使用Altera FPGA開發視頻系統所需要的軟件工具。

不會過時：Altera FPGA擁有廣泛的客戶基礎，多年以來，他們不斷采購新產品。Altera還一直在發售199x［SLA1］引入的FPGA。同樣的，FPGA設計可以很容易的從一個工藝節點移植到新節點。

低成本結構化ASIC移植途徑：Altera結構化ASIC 1百萬ASIC邏輯門100ku起價為15美金。

Altera的視頻和圖像處理解決方案包括經過優化的DSP設計流程、Altera視頻和圖像處理套件，接口和第三方視頻壓縮IP以及視頻參考設計等。

FPGA/結構化ASIC實現類似ASSP的功能

隨著解決方案的增多，Altera及其合作伙伴以FPGA或者結構化ASIC的形式提供ASSP功能。例如ATEME的H.26？普通質量標準清晰度編碼器產品。采用這一產品后，客戶可以象ASSP那樣使用FPGA，其優于傳統ASSP之處在于FPGA方案發展迅速，沒有過時的風險。

DSP設計流程

對于定制開發，Altera提供最佳的DSP設計流程，可以采用不同的方法進行設計，包括VHDL/Verilog、基于模型的設計和基于C語言的設計。Altera的視頻和圖像處理套件能夠應用于這些設計流程中。Altera和The MathWorks合作開發了全面的DSP開發流程，使設計人員能夠充分利用Altera？ FPGA的價格/性能優勢以及Simulink、The MathWorks基于模型的設計工具等。Altera的DSP Builder是一種DSP開發工具，它結合了Simulink和Altera業界領先的Quartus？ II開發軟件。DSP Builder提供無縫設計流程，設計人員在MATLAB軟件中進行算法開發，在Simulink軟件中進行系統級設計，然后將設計導入至硬件描述語言（HDL）文件，供Quartus II軟件使用。DSP Builder工具和SOPC Builder工具緊密集成，使用戶能夠結合Simulink設計和Altera嵌入式處理器以及知識產權內核來構建系統。對于那些在可編程邏輯設計軟件上經驗還不夠的設計人員而言，這種開發流程簡單易用，非常直觀。視頻和圖像處理套件

視頻和圖像處理套件含有9個功能模塊，其參數在某些情況下可以動態調整。表2總結了這些功能。

2D濾波器GUI示于下圖中，這是一個采用視頻和圖像處理套件提供的內核來實現用戶配置的實例。

分辨率、采樣比特、FIR濾波器、邊沿、溢出以及累加器長度等都是2D濾波器內核支持的靜態參數。

視頻壓縮許多第三方針對Altera FPGA和結構化ASIC提供了視頻壓縮方案。表3列出了部分常見視頻壓縮標準和相關的第三方。

IP承載視頻

Altera為IP承載視頻提供參考設計。該設計將視頻傳送流（TS）數據通過IP網絡傳輸，在100Mbps或者1Gbps以太網上橋接多個壓縮視頻流和IP數據包。參考設計接收TS數據，對其進行包封，在以太網上傳輸，也可以接收來自以太網的幀，生成TS數據。

以太網TS數據包封使用IP和用戶數據報協議（UDP）。也可以采用實時傳送協議（RTP）。專用硬件處理包封，實現參考設計的最大吞吐量和最小延時。能夠在以太網線路速率上處理、傳送和接收幀，支持千兆以太網鏈路900Mbps以上的集中TS帶寬。對于復用TS接口，參考設計將每個接口分別映射到專用UDP/IP插件（結合IP地址和UDP端口）。也可以采用其他的包封參數來分別配置每個TS。參考設計支持IP多播，含有一個Nios II處理器。Nios II處理器中運行的軟件對參考設計進行設置，處理所有的以太網管理業務。

結論

Altera的FPGA與功能豐富的Altera視頻圖像庫、Altera IP承載視頻參考設計，以及合作伙伴的壓縮方案相結合，為視頻系統設計人員設計高性能、低成本系統提供了關鍵構建模塊，幫助他們達到時間和市場需求。