視頻監控/安全系統實(shí)現方案

2009/09/04

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(lái)自CMOS視頻傳感器、CCD視頻傳感器或模擬視頻源。專(zhuān)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(jìn)行多路復用,在圖像信號處理單元進(jìn)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(shù)應用于檢測在預定義畫(huà)面中的運動(dòng)。這個(gè)運動(dòng)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(chē)統計、汽車(chē)的車(chē)牌號碼識別和/或人臉識別。

　　一個(gè)典型的具有多個(gè)攝像機視頻源的視頻監控系統總是會(huì )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(lái)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(zhì)量的功能。

　　經(jīng)過(guò)壓縮后的數據通過(guò)硬盤(pán)驅動(dòng)器接口存儲至視頻存儲服務(wù)器，或通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送。視頻數據傳送到顯示器之前通常是取自硬盤(pán)驅動(dòng)器，并經(jīng)過(guò)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(lái)存儲視頻幀。此外，某些系統要求視頻內容的實(shí)時(shí)加密以確保安全和源/用戶(hù)身份驗證。最后，需要用處理器控制和協(xié)調/排定各種不同的任務(wù)。

圖2：根據吞吐量、靈活性、批量和形狀因子要求進(jìn)行選擇的步驟

　　圖2說(shuō)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(dòng)不同的實(shí)現技術(shù)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(chǎn)品壽命期間的預計批量以及硬件的靈活性會(huì )大大響設計者在A(yíng)SIC/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A(yíng)SIC/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(jiàn)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(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，FPGA有時(shí)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(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，FPGA的加速功能有助于進(jìn)行一些視頻分析功能，如運動(dòng)檢測、面部識別等。

　　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、大且復雜的功能塊，通常是用ASSP或ASIC來(lái)實(shí)現，以獲得小尺寸的解決方案。

　　但是ASIC和ASSP帶來(lái)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(hù)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A(yíng)SIC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(chǎng)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(xiàn)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(gè)特定的視頻監控攝像機實(shí)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(shí)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(pán)驅動(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，當需要它時(shí)，有很多不同的可以實(shí)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(gè)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(yōu)的實(shí)現架構。

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(yōu)勢。采用非易失FPGA不再需要外部引導芯片PROM，可以構建一個(gè)提供瞬時(shí)啟動(dòng)功能的單芯片解決方案。帶有片上密鑰存儲并支持內置的AES 128位加密技術(shù)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(shí)，非易失FPGA是一個(gè)更具吸引力的替代方案。

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