基于FPGA 构建一个提供瞬时启动功能的单芯片解决方案

视频监控和安全行业正在经历着一场巨大的变革，正在从传统的模拟闭路电视摄像机向基于逻辑的数字摄像机的方向发展。更高的视频分辨率、图像信号处理、先进的视频分析、多摄像系统和数字视频压缩的发展趋势推动了这一转变。其结果是，在视频监控摄像机和数字视频录像机（DVR）设计中出现了新的挑战，包括增加使用 CMOS 传感器、网络 IP 摄像技术、增加系统的集成功能、更小尺寸的外形因子、采用先进的编解码器以及增加 DSP 功能。

由于视频监控 / 安全市场的多样性和竞争性，制造商往往很难在他们自己的产品中添加差异化的功能，使其产品有别于竞争对手的产品。因此，相似的摄像机和 DVR 产品非常普遍。然而，上面提到的趋势为视频安全 / 监控原始产品制造商创造了新的机会，可以实现产品的差异化。

满足这些应用的要求需要额外的处理能力。目前的数码摄像机利用 DSP 芯片、专门的 ASSP 或 ASIC 来提供处理功能，但这些方案存在一些挑战。采用 DSP 芯片经常会出现性能瓶颈，因为这些芯片通常用串行方式处理图像信号处理任务。ASSP 可能提供更多的性能，但往往是以设计的灵活性为代价。ASIC 有更多的性能优化，但产量不够大，无法验证 ASIC 开发所需的费用和时间。设计人员需要一种灵活的方法，针对不同的细分市场提供从低端摄像机 /DVR 到高端应用所需的计算能力。

实现方案的选择

视频监控系统可分为两大类：摄像系统和 DVR 系统。摄像系统可整合单个摄像机或多个摄像机。有些系统则整合了 DVR 与单个摄像机或多个摄像机。

图 1：多摄像机的 DVR 视频监控系统框图。

图 1 是一种通用的多摄像机的 DVR 视频监控系统。视频源来自 CMOS 视频传感器、CCD 视频传感器或模拟视频源。专有的视频接口将输入视频流转换成普通的格式，然后对不同的视频流（以及音频）进行多路复用，在图像信号处理单元进行预处理。视频预处理的目的是降低噪声和消除像素缺陷。

视频分析技术应用于检测在预定义画面中的运动。这个运动检测输出可减少所需的存储容量。在一些视频监控应用中，视频分析是必需的，如人 / 车统计、汽车的车牌号码识别和 / 或人脸识别。

一个典型的具有多个摄像机视频源的视频监控系统总是会生成大量的数据，因此减少所需的存储容量非常重要。MPEG-4、H.264、和 MJPEG 被用来减少所需的存储容量。H.264 是一种针对视频监控应用的流行压缩算法，因为它能以相当低的比特率（只有 MPEG-2 或 MPEG-4 第 2 部分一半或更低的比特率 ）提供良好的视频质量的功能。

经过压缩后的数据通过硬盘驱动器接口存储至视频存储服务器，或通过以太网网络发送。视频数据传送到显示器之前通常是取自硬盘驱动器，并经过了解码以及一些图像后处理，如缩放、色彩空间转换或覆盖应用。通常情况下，存储器接口（如 DDR2）是用来存储视频帧。此外，某些系统要求视频内容的实时加密以确保安全和源 / 用户身份验证。最后，需要用处理器控制和协调 / 排定各种不同的任务。

图 2：根据吞吐量、灵活性、批量和形状因子要求进行选择的步骤。

图 2 说明了系统的要求，如吞吐量、灵活性、预计批量和形状因子是如何推动不同的实现技术和器件的。对于低数据吞吐量的要求，DSP 处理器是最节省成本的器件。然而，产品寿命期间的预计批量以及硬件的灵活性会大大响设计者在 ASIC/ASSP 和 FPGA 器件之间作出选择。如果是硬件灵活性低的系统要求和预计有大的批量，设计者则青睐于 ASIC/ASSP 解决方案；而对于硬件灵活性高的系统要求和较小的预期批量，设计者青睐 FPGA 解决方案。常见的小型视频监控摄像机有小尺寸的要求，设计者青睐采用非易失性 FPGA ，因为它们不需要额外的外部非易失性配置存储器件。

系统集成组合了不同器件的优势：DSP 处理器有时集成了 ASSP IP 模块，ASSP/ASIC 有时集成了处理器，FPGA 有时集成了硬处理器和硬 IP 核。

对于视频监控系统（图 1），由于这些任务的时序性质，用 DSP 处理器可以有效实施视频分析功能和处理器块。然而在有些情况下，FPGA 的加速功能有助于进行一些视频分析功能，如运动检测、面部识别等。

如图 1 所示的 H.264 编码器是一个要求高吞吐量、硬件灵活性低、大且复杂的功能块，通常是用 ASSP 或 ASIC 来实现，以获得小尺寸的解决方案。

但是 ASIC 和 ASSP 带来了高昂的非重复性工程费用成本，除非批量非常大。如果只有一小部分用户使用特殊的功能模块，那么 FPGA 解决方案可提供更好的回报。对于 ASIC 和 ASSP，这些器件有限的功能和固有的不灵活性，不允许在设计完成后根据市场的要求改进或添加新的功能。FPGA 却能提供广泛的功能和高度的灵活性。

具有下列要求的视频监控系统模块将受益于 FPGA 的灵活性：（1）这视频和音频接口以及多路复用器需要硬件的灵活性，以支持不同的摄像机和不同数目的摄像机。（2）DDR 接口必须支持不同的存储器总线宽度和不同的 DDR 标准。（3）支持各种图像信号处理算法（二维 FIR 滤波器、二维中值滤波器、缩放、边缘检测、伽玛校正、alpha 混合、白平衡、镜头阴影校正、缺陷像素校正、去马赛克、逐行扫描，彩色空间校正等），在一个特定的视频监控摄像机实施方案中可能需要各种算法的子集。这些算法结构的有效实现取决于吞吐量的要求，而吞吐量的要求又取决于系统中摄像机的数量和视频标准采样率。（4）在视频监控摄像系统中并非总是需要硬盘驱动器接口和以太网接口，但可作为选择方案。（5）并非总是需要显示器接口，当需要它时，有很多不同的可以实现的显示器接口可供选择。（6）只在某些系统中需要加密和认证。根据不同视频格式的不同的吞吐量要求，以及在一个特定的监控系统中不同的摄像机数量，最佳加密和认证系统可能需要不同的尺寸最优的实现架构。

许多网络 IP 摄像机受到了非常紧凑的外形、功耗和成本的制约，特别是嵌入式摄像机 /DVR 系统。采用非易失 FPGA 作为一种解决方案能解决这些问题，并获得 FPGA 的传统优势。

利用 FPGA 实现产品差异化

采用 FPGA 实现视频监控系统具有许多优点，包括 FPGA 加速 DSP 处理的功能。非易失性 FPGA 可以使 FPGA 在视频监控摄像系统实现中更具吸引力，特别是对移动 / 交通运输系统中使用的嵌入式摄像机 /DVR 系统来说。这些系统对便携性、功耗和电路板面积有严格的要求。

这些应用对灵活性和可扩展性也有很高的要求，但前提是不能降低对功耗、电路板面积和便携性的要求。例如，一些网络 IP 摄像系统有多个摄像机和传感器，即使电路板面积非常有限，也必须提供多个视频流的通道。其它网络 IP 摄像机往往采用非常小的外壳，电路板接近 MicroSD 卡的大小，这种系统的原始设备制造商所面临的挑战是用尽可能少的芯片实现多个系统，同时还能满足功能、外形和低功耗的要求。

非易失性 FPGA 解决方案，如 LatticeXP2 器件系列把基于 SRAM FPGA 的性能和灵活性，与非易失 Flash 技术固有的优点结合在一起。LatticeXP2 系列在安全和监控应用方面有许多特点，包括该芯片支持 DDR/DDR2、针对低成本显示器的 7:1 LVDS 接口以及 18×18 位乘法的 DSP 模块，这些对在视频监控应用中经常需要的图像信号处理功能特别有用。当 LatTIceXP2-5 和 LatTIceXP2-8 器件与低成本芯片级封装在一起时， LatTIceXP2 非易失 FPGA 器件系列为原始设备制造商提供很多价值，特别当设计紧凑的网络 IP 摄像机时。

图 3：LatTIceXP2 非易失器件系列具有低成本的封装。

本文小结

对于大量的各种视频监控摄像机和 DVR 的应用，FPGA 所具有硬件灵活性、并行处理能力以及零非重复性工程费优势。采用非易失 FPGA 不再需要外部引导芯片 PROM，可以构建一个提供瞬时启动功能的单芯片解决方案。带有片上密钥存储并支持内置的 AES 128 位加密技术的特性为保护 FPGA 编程位流、防止外部篡改提供了安全保障。许多安全摄像系统解决方案，包括嵌入式摄像机 /DVR 系统，都能从传统的基于 SRAM 的 FPGA 中受益，但当功耗、电路板面积、成本和集成度特性非常重要时，非易失 FPGA 是一个更具吸引力的替代方案。
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