白皮書(shū)：IP Camera的視頻性能及動(dòng)態(tài)分析

現(xiàn)代人對(duì)人身及財(cái)產(chǎn)安全越來(lái)越關(guān)注，這促使視頻安全監(jiān)控市場(chǎng)迅速走紅?；趯?duì)這一市場(chǎng)的關(guān)注，以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（DSP）和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控已經(jīng)由模擬監(jiān)控（VCR ，Video Cassette Recorder）發(fā)展到數(shù)字和模擬混合的DVR（Digital Video Recorder），進(jìn)而向IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)這種數(shù)字視頻監(jiān)控發(fā)展。目前，DVR系統(tǒng)占據(jù)了全球視頻監(jiān)控市場(chǎng)的50%，可謂如日中天。但業(yè)界對(duì)IP視頻監(jiān)控的發(fā)展趨勢(shì)一致看好，視頻監(jiān)控系統(tǒng)向數(shù)字化發(fā)展成為發(fā)展趨勢(shì)。

IP Camera的優(yōu)勢(shì)

IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)在布控距離、擴(kuò)展能力和布控成本上與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控和DVR相比有所不同。從布控距離上講，IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器直接連入網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有線纜長(zhǎng)度和信號(hào)衰減的限制，沒(méi)有地域概念；從擴(kuò)展能力上講，這種系統(tǒng)對(duì)于設(shè)備數(shù)量沒(méi)有限制，增加設(shè)備只意味著IP地址的擴(kuò)充。在成本上，IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)占用帶寬較少，可以利用企業(yè)現(xiàn)有的局域網(wǎng)，在安裝時(shí)節(jié)省布線建網(wǎng)的成本。相比之下，對(duì)于其他的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，如要增加新的監(jiān)控點(diǎn)需要重新建網(wǎng)，新的設(shè)備很難添加到原有的系統(tǒng)中，并要受到線纜長(zhǎng)度和信號(hào)衰減的限制。

IP Camera監(jiān)控系統(tǒng)常見(jiàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)分析

IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)和IP Camera監(jiān)控系統(tǒng)，其中IP Camera是系統(tǒng)的前端處理部分。CCD/CMOS圖像傳感器把場(chǎng)景的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，這些電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過(guò)數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)紻SP存儲(chǔ)器。DSP作為IP Camera的數(shù)字圖像處理和壓縮以及操作系統(tǒng)運(yùn)行的主處理器芯片,完成圖像壓縮、編碼的同時(shí)把數(shù)據(jù)流送到硬盤(pán)或其他存儲(chǔ)設(shè)備中保存。可以想見(jiàn)，前端設(shè)備對(duì)視頻圖像質(zhì)量好壞有極大影響。因此，處理器的選擇在開(kāi)發(fā)人員如何能夠成功地滿足數(shù)字視頻監(jiān)控產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求上扮演了重要角色。

目前市場(chǎng)上，ASIC、FPGA與傳統(tǒng)的DSP是常見(jiàn)的幾種方案，每種都有自己的特點(diǎn)。其中，ASIC比較適合沒(méi)有算法基礎(chǔ)的研發(fā)隊(duì)伍采用，因?yàn)锳SIC芯片本身的壓縮算法可以幫助加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度。但是，隨著音/視頻格式和標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn)，這種方案的靈活性對(duì)它在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用又成為一種限制。相比之下，傳統(tǒng)的DSP處理具有更加靈活的處理能力，在數(shù)據(jù)處理方面也更加強(qiáng)大。然而，DSP傳統(tǒng)的處理架構(gòu)的重點(diǎn)還是集中在數(shù)據(jù)運(yùn)算能力上面，對(duì)于視頻監(jiān)控應(yīng)用來(lái)說(shuō)不夠優(yōu)化。對(duì)于那些具有復(fù)雜的控制能力和更高速媒體流需求的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的DSP并不理想——DSP中更多的系統(tǒng)資源被浪費(fèi)掉了。由于具有強(qiáng)大的并行處理能力，在要求復(fù)雜和密集的視頻信號(hào)處理的高端視頻監(jiān)控領(lǐng)域，理論上FPGA應(yīng)該具有很大優(yōu)勢(shì)。遺憾的是，F(xiàn)PGA的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境、較大的功耗以及高昂的成本拖了它的后腿，使它很難成為這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)者。

還有一種方案是采用MCU（ARM核）＋DSP。由于ARM采用RISC指令集，適合處理控制代碼，對(duì)視頻編解碼則力不從心。DSP則能彌補(bǔ)ARM的不足，其運(yùn)算能力能夠滿足人們對(duì)視頻流暢程度的需求。這種方案的思路是發(fā)揮ARM核的控制作用和DSP處理器的處理能力。但是，研發(fā)人員需要對(duì)MCU和DSP這兩套代碼進(jìn)行掌握和維護(hù)，研發(fā)成本和對(duì)研發(fā)人員的要求都比較高。

顯而易見(jiàn)，如果能夠有一種處理平臺(tái)，將MCU和DSP的性能融合起來(lái)，不但能克服ARM核＋DSP所存在的瑕疵，同時(shí)能保留兩則的優(yōu)勢(shì)特性。Blackfin處理器平臺(tái)正是這樣的匯聚平臺(tái)，它給視頻監(jiān)控產(chǎn)品開(kāi)發(fā)帶來(lái)了新的力量。匯聚處理器將MCU和DSP的性能融合在一起，在單核上對(duì)uCLinux、協(xié)議棧和媒體流進(jìn)行處理，將實(shí)時(shí)多媒體數(shù)據(jù)流及以控制為導(dǎo)向的任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。Blackfin家族使用了MSA（Micro Signal Architecture）架構(gòu)，在一個(gè)單核架構(gòu)中提供可編程的16/32位MCU和DSP功能，能夠?qū)刂?、網(wǎng)絡(luò)、多媒體以及信號(hào)處理區(qū)域進(jìn)行劃分。同樣的開(kāi)發(fā)環(huán)境適用于所有的Blackfin產(chǎn)品線，使IP視頻監(jiān)控產(chǎn)品的上市時(shí)間加快，成本大大降低。

IP Camera的視頻性能和動(dòng)態(tài)范圍

通過(guò)強(qiáng)大的視頻處理算法、豐富的外圍接口等，Blackfin系列產(chǎn)品能夠顯著改善IP Camera系統(tǒng)的視頻性能和動(dòng)態(tài)范圍。

目前市場(chǎng)上的寬動(dòng)態(tài)IP Camera主要有兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，一種是以圖像傳感器配合數(shù)字信號(hào)處理器的方式實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)效果，主要實(shí)現(xiàn)形式為雙倍速CCD+DSP、普通CCD+雙快門(mén)等。該技術(shù)方案采取雙曝光或者多次曝光的方式，并通過(guò)DSP將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，最后將兩次曝光或者多次曝光形成的畫(huà)面進(jìn)行合成，從而得到一幅在光線明、暗處物體都能被清晰表現(xiàn)的畫(huà)面，一般稱此類攝像機(jī)為CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)。另一種是采用DPS（數(shù)字圖像傳感器與處理系統(tǒng)）的方案，該方案中DPS可以對(duì)拍攝區(qū)域進(jìn)行多次單獨(dú)無(wú)損失采樣，并直接輸出數(shù)字信號(hào)，因此無(wú)需經(jīng)過(guò)DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，一般稱為DPS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)。在CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)中采用Blackfin平臺(tái)，因?yàn)锽lackfin具有專門(mén)的底層視頻指令集支持和更高的主頻，在圖像處理方面更高效和靈活。在DPS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)中，Blackfin和其他DSP處理器一樣對(duì)寬動(dòng)態(tài)范圍沒(méi)有貢獻(xiàn)，主要用于視頻壓縮。

實(shí)際上，Blackfin系列DSP專門(mén)針對(duì)高速并行數(shù)據(jù)特別是視頻數(shù)據(jù)集成了并行外圍接口（PPI），在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線的基礎(chǔ)上增加了一條專用數(shù)據(jù)吞吐通道。PPI接口可以按照BT.601視頻流的“硬件同步”模式工作，還能自動(dòng)解碼BT.656視頻流前同步碼，從而能夠無(wú)縫連接到多種視頻源和圖像傳感器，與直接存儲(chǔ)器存取（DMA）控制器配合使用。PPI可以在完整的視頻幀信息中只讀入有效的視頻信息，或只有消隱區(qū)域。當(dāng)不需要完整的視頻幀時(shí)，就可以顯著節(jié)省帶寬。從這個(gè)性能上講，Blackfin平臺(tái)對(duì)IP Camera應(yīng)用提供了強(qiáng)大支持。另外，PPI可以忽略隔行BT.656視頻流的所有第二場(chǎng)圖像信息，從而提供了用于快速抽取輸入信號(hào)的方法。PPI還可以直接連接到類似ADV7183A的視頻解碼器，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

Blackfin處理器適合于實(shí)現(xiàn)靈活的多媒體智能分析算法，具有專用的視頻處理指令。同時(shí)，Image Tool Box智能監(jiān)控軟件包針對(duì)智能監(jiān)控算法中的一些常用和基本函數(shù)做了專門(mén)優(yōu)化，可以加速上層算法的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。在Blackfin平臺(tái)上目前有多種智能處理模塊，如魚(yú)眼矯正、運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)及基于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的上層算法如入侵檢測(cè)和定位等。

在高清和標(biāo)清IP Camera應(yīng)用中，MPEG 4、H.264壓縮格式成為主流。拿H.264壓縮格式來(lái)說(shuō)，與傳統(tǒng)的視頻編解碼格式H.263和MJPEG相比，使用H.264視頻壓縮格式能減少所需帶寬，還可為有效的數(shù)據(jù)塊傳輸提供卓有成效的網(wǎng)絡(luò)提取層。單核架構(gòu)的Blackfin匯聚平臺(tái)提供核心頻率性能高達(dá)600MHz（1200MMACs），支持多通道音頻、VGA/D1視頻應(yīng)用和MPEG-4、H.264以及Windows Media壓縮格式，能以較高分辨率對(duì)高級(jí)視頻編解碼進(jìn)行處理。支持Blackfin平臺(tái)的軟件當(dāng)中應(yīng)用到了這些性能。對(duì)不同的媒體格式和功能，只需要簡(jiǎn)單地對(duì)高級(jí)軟件進(jìn)行更改就可以了。

通過(guò)將MCU和DSP匯聚到一個(gè)單內(nèi)核的平臺(tái)上，Blackfin處理器加速了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，大量集成的外圍設(shè)備節(jié)省了大量重新組建這些設(shè)備的時(shí)間和成本。

另外，在視頻監(jiān)控應(yīng)用中，被監(jiān)控物體圖像曝光過(guò)度或曝光不足的情況讓人們非常煩惱。寬動(dòng)態(tài)范圍的產(chǎn)品很好地適應(yīng)同一場(chǎng)景中不同部分光線強(qiáng)弱差別較大的情況，并能夠在最終的視頻中淡化這種光線亮度差異，使整個(gè)畫(huà)面每一個(gè)部分都能清晰可辨，避免圖像質(zhì)量下降。

隨著中國(guó)國(guó)內(nèi)安防監(jiān)控市場(chǎng)的發(fā)展，人們對(duì)這種寬動(dòng)態(tài)范圍IP Camera產(chǎn)品的需求越來(lái)越大。目前主流的寬動(dòng)態(tài)攝像技術(shù)，是通過(guò)攝像機(jī)對(duì)每幀畫(huà)面采集高速快門(mén)和低速快門(mén)兩張圖像，并通過(guò)后臺(tái)的DSP處理合成為一幀圖像而成。這樣的技術(shù)體系對(duì)于整個(gè)攝像機(jī)從快門(mén)到影像傳感器（如CCD或CMOS）再到后臺(tái)處理程序和處理器都有更高的要求。

處理器的選擇

根據(jù)應(yīng)用的具體情形和場(chǎng)合，處理器的正確選擇可以有效提高圖像質(zhì)量、檢測(cè)能力。性能顯然是一個(gè)關(guān)鍵因素。由于處理器所有的工作量幾乎都集中在圖像處理方面，這要求處理器能夠優(yōu)化處理大量不同的視頻任務(wù)。按照具體應(yīng)用的不同，Blackfin平臺(tái)包含多款產(chǎn)品可供選擇。

例如BF51x系列，它包括BF512、BF514、BF516和BF518等多款產(chǎn)品，適合各種儀器儀表、便攜式醫(yī)療診斷與VoIP電話等應(yīng)用。這些單核匯聚處理器和MCU+DSP方案相比能夠減少器件數(shù)量，降低功耗。BF51x處理器都具有高達(dá)400 MHz (800 MMACS)的時(shí)鐘速率，集成了Lockbox安全技術(shù)。每個(gè)處理器包括兩個(gè)雙通道同步串行通信端口(SPORT)、一個(gè)高速并行外設(shè)接口、一個(gè)I2C兼容的TWI、兩個(gè)PC兼容的UART，以及兩個(gè)SPI兼容的串行外設(shè)接口端口。

在BF52x系列中，處理器在250MHz時(shí)核心功耗低至0.16mW/MHz。該系列處理器工作頻率600MHz，其低功耗系列產(chǎn)品執(zhí)行頻率可達(dá)400MHz。在知識(shí)產(chǎn)權(quán)安全和網(wǎng)絡(luò)安全能力上，其Lockbox安全技術(shù)可以提供有效保護(hù)。作為媒體協(xié)同處理器，ADI對(duì)系統(tǒng)外圍電路較少的處理器進(jìn)行了優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)時(shí)可以增加額外功能。此外，由于具備高功效信號(hào)處理能力和豐富外圍接口，與以太網(wǎng)以及Wi-Fi 802.11 a/b/g模塊的無(wú)縫連接可以輕松實(shí)現(xiàn)，對(duì)IP相機(jī)非常適合。

BF534處理器的系統(tǒng)外圍包含一個(gè)集成了CAN 2.0B控制器、兩組UART端口、一個(gè)SPI端口、兩組串行端口、兩條外部DMA請(qǐng)求信號(hào)線、48條通用I/O腳以及一個(gè)并行外圍接口等。ADSP-BF536/537則進(jìn)一步擴(kuò)充了功能，包括集成IEEE 802.3 10/100 Ethernet MAC以及強(qiáng)化DMA系統(tǒng)，以提供高網(wǎng)絡(luò)頻寬能力。

BF561是雙內(nèi)核600MHz處理器，在信號(hào)處理和控制功能的集成與分割方面能夠提供最高的性能和最大的設(shè)計(jì)靈活性。

總體看，Blackfin是適合視頻監(jiān)控應(yīng)用，并有效幫助加速I(mǎi)P Camera系統(tǒng)設(shè)計(jì)和構(gòu)建的平臺(tái)，對(duì)提高IP Camera的視頻性能和寬動(dòng)態(tài)范圍頗有成效。