用FPGA构建智能监控视频新型系统架构

全视频帧速率下的高分辨率（HD）安全监控处理系统对处理器件的要求越来越高，单芯片DSP处理已经无法适应，多芯片、多核或者CPU+DSP的方式虽然在某些情况下能够满足需求，但其在PCB成本、系统资源占用以及系统稳定性等方面还存在一些问题。利用FPGA的灵活特性加载视频处理引擎的新型系统架构正在引起人们的关注。

成本和性能的挑战

Xilinx亚洲区资深系统架构师江允贵表示，监控视频智能分析系统的市场规模在2012年将达到8亿美元。对于摄像机和DVR等视频监控网络设备的设计商和提供商而言，受制于处理性能、成本和电源等方面的限制，单芯片解决方案商业或技术上是不可行的。而利用他们的Spartan-3A DSP FPGA的可编程和性价比优势，可以满足摄像机、虚拟障碍、对象滞后和人数统计等多样监测功能，并以单芯片的方式集成到摄像机中。

FPGA要做到这一点需要强大的视频处理引擎来支持，位于美国加州伯克利的Eutecus公司开发了一种蜂窝视觉技术（CVT），这是下一代极高速影像流捕获和处理技术，整合了独立的大量平行处理架构和算法。Eutecus公司总裁兼CEO Stephen D.Hester表示，CVT技术受到人类的肉眼的处理结构的启发，利用该项技术他们可以针对智能视频监控和安全市场，为FPGA和其它器件提供影像处理IP。“ 我们在开发多核视频分析引擎（MVE）时遇到了难题，”Hester说，“我们的第一代产品基于TI的达芬奇SoC。 但在第二代产品中，我们需要更强大的处理能力和系统集成度。多个DSP器件方案无论在成本还是在系统一级效益都不高。我们需要一个能够方便地将上一代产品移植过来，并且能够为我们的第二代MVE提供更多特性的单芯片解决方案。 ”

基于Spartan-3A的处理架构

经过一番调研， E u t e c u s 找到了Xilinx公司的Spartan-3A DSP3400A。该器件中的126个XtremeDSP DSP48A逻辑片能够提供高达30GMAC的DSP性能，因此完全能够满足视频分析应用苛刻的成本和性能要求。MVE能够实现在视频帧速下处理高清分辨率，且功率小于1W。它是易配置、紧凑型的处理架构，在一块可配置建构模块中整合了固有的平行多核处理架构、嵌入式复杂视频分析算法，因此简化了硬件设计和编程。MVE可同时全面地执行多个事件检测和并行分类算法。

从一个平台转向另一个平台架构，可移植性是需要考虑的重要因素。Xilinx的EDK嵌入式开发套件可以实现基于Xilinx MicroBlaze嵌入式处理器的双处理器硬件架构，该架构与TI公司达芬奇平台双处理器硬件架构类似。这样一来，Eutecus在设计移植方面没有任何顾虑。

“MVE嵌入在赛灵思Spartan-3A DSP FPGA中，能够使智能相机或其它网络装置如DVR中的单芯片实现复杂的视频分析功能。”江允贵表示，“利用FPGA可以根据客户需求增加更多视频分析功能以及相关的事件检测事例。可以利用同一硬件平台创建多种不同的衍生产品。Eutecus使用VHDL设计了多种分析加速器引擎，并将这些专用内核集成到C-MVA协处理器中。这种方法允许工程师重新利用双MicroBlaze嵌入式系统来创建不同的FPGA编程文件，这样就构成了高度可扩展的解决方案，可以轻松调节适应范围广泛的视频分析应用。”