視頻監控和安全行業正在經歷著一場巨大的變革，正在從傳統的模擬閉路電視攝像機向基于邏輯的數字攝像機的方向發展。更高的視頻分辨率、圖像信號處理、先進的視頻分析、多攝像系統和數字視頻壓縮的發展趨勢推動了這一轉變。其結果是，在視頻監控攝像機和數字視頻錄像機（DVR）設計中出現了新的挑戰，包括增加使用 CMOS 傳感器、網絡 IP 攝像技術、增加系統的集成功能、更小尺寸的外形因子、采用先進的編解碼器以及增加 DSP 功能。

由于視頻監控 / 安全市場的多樣性和競爭性，制造商往往很難在他們自己的產品中添加差異化的功能，使其產品有別于競爭對手的產品。因此，相似的攝像機和 DVR 產品非常普遍。然而，上面提到的趨勢為視頻安全 / 監控原始產品制造商創造了新的機會，可以實現產品的差異化。

滿足這些應用的要求需要額外的處理能力。目前的數碼攝像機利用 DSP 芯片、專門的 ASSP 或 ASIC 來提供處理功能，但這些方案存在一些挑戰。采用 DSP 芯片經常會出現性能瓶頸，因為這些芯片通常用串行方式處理圖像信號處理任務。ASSP 可能提供更多的性能，但往往是以設計的靈活性為代價。ASIC 有更多的性能優化，但產量不夠大，無法驗證 ASIC 開發所需的費用和時間。設計人員需要一種靈活的方法，針對不同的細分市場提供從低端攝像機 /DVR 到高端應用所需的計算能力。

實現方案的選擇

視頻監控系統可分為兩大類：攝像系統和 DVR 系統。攝像系統可整合單個攝像機或多個攝像機。有些系統則整合了 DVR 與單個攝像機或多個攝像機。

圖 1：多攝像機的 DVR 視頻監控系統框圖。

圖 1 是一種通用的多攝像機的 DVR 視頻監控系統。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換成普通的格式，然后對不同的視頻流（以及音頻）進行多路復用，在圖像信號處理單元進行預處理。視頻預處理的目的是降低噪聲和消除像素缺陷。

視頻分析技術應用于檢測在預定義畫面中的運動。這個運動檢測輸出可減少所需的存儲容量。在一些視頻監控應用中，視頻分析是必需的，如人 / 車統計、汽車的車牌號碼識別和 / 或人臉識別。

一個典型的具有多個攝像機視頻源的視頻監控系統總是會生成大量的數據，因此減少所需的存儲容量非常重要。MPEG-4、H.264、和 MJPEG 被用來減少所需的存儲容量。H.264 是一種針對視頻監控應用的流行壓縮算法，因為它能以相當低的比特率（只有 MPEG-2 或 MPEG-4 第 2 部分一半或更低的比特率 ）提供良好的視頻質量的功能。

經過壓縮后的數據通過硬盤驅動器接口存儲至視頻存儲服務器，或通過以太網網絡發送。視頻數據傳送到顯示器之前通常是取自硬盤驅動器，并經過了解碼以及一些圖像后處理，如縮放、色彩空間轉換或覆蓋應用。通常情況下，存儲器接口（如 DDR2）是用來存儲視頻幀。此外，某些系統要求視頻內容的實時加密以確保安全和源 / 用戶身份驗證。最后，需要用處理器控制和協調 / 排定各種不同的任務。

圖 2：根據吞吐量、靈活性、批量和形狀因子要求進行選擇的步驟。

圖 2 說明了系統的要求，如吞吐量、靈活性、預計批量和形狀因子是如何推動不同的實現技術和器件的。對于低數據吞吐量的要求，DSP 處理器是最節省成本的器件。然而，產品壽命期間的預計批量以及硬件的靈活性會大大響設計者在 ASIC/ASSP 和 FPGA 器件之間作出選擇。如果是硬件靈活性低的系統要求和預計有大的批量，設計者則青睞于 ASIC/ASSP 解決方案；而對于硬件靈活性高的系統要求和較小的預期批量，設計者青睞 FPGA 解決方案。常見的小型視頻監控攝像機有小尺寸的要求，設計者青睞采用非易失性 FPGA ，因為它們不需要額外的外部非易失性配置存儲器件。

系統集成組合了不同器件的優勢：DSP 處理器有時集成了 ASSP IP 模塊，ASSP/ASIC 有時集成了處理器，FPGA 有時集成了硬處理器和硬 IP 核。

對于視頻監控系統（圖 1），由于這些任務的時序性質，用 DSP 處理器可以有效實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行一些視頻分析功能，如運動檢測、面部識別等。

如圖 1 所示的 H.264 編碼器是一個要求高吞吐量、硬件靈活性低、大且復雜的功能塊，通常是用 ASSP 或 ASIC 來實現，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性工程費用成本，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。對于 ASIC 和 ASSP，這些器件有限的功能和固有的不靈活性，不允許在設計完成后根據市場的要求改進或添加新的功能。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控系統模塊將受益于 FPGA 的靈活性：（1）這視頻和音頻接口以及多路復用器需要硬件的靈活性，以支持不同的攝像機和不同數目的攝像機。（2）DDR 接口必須支持不同的存儲器總線寬度和不同的 DDR 標準。（3）支持各種圖像信號處理算法（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），在一個特定的視頻監控攝像機實施方案中可能需要各種算法的子集。這些算法結構的有效實現取決于吞吐量的要求，而吞吐量的要求又取決于系統中攝像機的數量和視頻標準采樣率。（4）在視頻監控攝像系統中并非總是需要硬盤驅動器接口和以太網接口，但可作為選擇方案。（5）并非總是需要顯示器接口，當需要它時，有很多不同的可以實現的顯示器接口可供選擇。（6）只在某些系統中需要加密和認證。根據不同視頻格式的不同的吞吐量要求，以及在一個特定的監控系統中不同的攝像機數量，最佳加密和認證系統可能需要不同的尺寸最優的實現架構。

許多網絡 IP 攝像機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 /DVR 系統。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 的傳統優勢。

利用 FPGA 實現產品差異化

采用 FPGA 實現視頻監控系統具有許多優點，包括 FPGA 加速 DSP 處理的功能。非易失性 FPGA 可以使 FPGA 在視頻監控攝像系統實現中更具吸引力，特別是對移動 / 交通運輸系統中使用的嵌入式攝像機 /DVR 系統來說。這些系統對便攜性、功耗和電路板面積有嚴格的要求。

這些應用對靈活性和可擴展性也有很高的要求，但前提是不能降低對功耗、電路板面積和便攜性的要求。例如，一些網絡 IP 攝像系統有多個攝像機和傳感器，即使電路板面積非常有限，也必須提供多個視頻流的通道。其它網絡 IP 攝像機往往采用非常小的外殼，電路板接近 MicroSD 卡的大小，這種系統的原始設備制造商所面臨的挑戰是用盡可能少的芯片實現多個系統，同時還能滿足功能、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 技術固有的優點結合在一起。LatticeXP2 系列在安全和監控應用方面有許多特點，包括該芯片支持 DDR/DDR2、針對低成本顯示器的 7:1 LVDS 接口以及 18×18 位乘法的 DSP 模塊，這些對在視頻監控應用中經常需要的圖像信號處理功能特別有用。當 LatTIceXP2-5 和 LatTIceXP2-8 器件與低成本芯片級封裝在一起時， LatTIceXP2 非易失 FPGA 器件系列為原始設備制造商提供很多價值，特別當設計緊湊的網絡 IP 攝像機時。

圖 3：LatTIceXP2 非易失器件系列具有低成本的封裝。

本文小結

對于大量的各種視頻監控攝像機和 DVR 的應用，FPGA 所具有硬件靈活性、并行處理能力以及零非重復性工程費優勢。采用非易失 FPGA 不再需要外部引導芯片 PROM，可以構建一個提供瞬時啟動功能的單芯片解決方案。帶有片上密鑰存儲并支持內置的 AES 128 位加密技術的特性為保護 FPGA 編程位流、防止外部篡改提供了安全保障。許多安全攝像系統解決方案，包括嵌入式攝像機 /DVR 系統，都能從傳統的基于 SRAM 的 FPGA 中受益，但當功耗、電路板面積、成本和集成度特性非常重要時，非易失 FPGA 是一個更具吸引力的替代方案。
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