在“數(shù)字監(jiān)控專欄”開辦的第一期里，我們首先把目光聚焦在視頻圖像數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP上，它可謂是數(shù)字監(jiān)控行業(yè)發(fā)展的源動(dòng)力。目前，越來越多的國(guó)際芯片制造廠商已經(jīng)開始將注意力投入到了安防行業(yè)，在提高產(chǎn)品的壓縮性能、運(yùn)算速度、聯(lián)網(wǎng)功能，降低產(chǎn)品的成本上，廠商們各施其法，紛紛力爭(zhēng)搶占未來安防市場(chǎng)的大好商機(jī)。\r\n那么，針對(duì)不同的DSP芯片，目前國(guó)內(nèi)各主要DVR廠商的開發(fā)情況如何？他們是如何選擇DSP芯片的？未來這些廠商們對(duì)DSP芯片又有哪些具體需求呢？……\r\n
采取芯片復(fù)用策略，盡可能地調(diào)整產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案
作為一家專業(yè)的安防廠商，?？低曉?jīng)采用過多種主流DSP和ASIC芯片來構(gòu)建其產(chǎn)品線，比如Philips的TM1300/1500、TI的Dm642等芯片，并取得了優(yōu)秀的市場(chǎng)業(yè)績(jī)。目前?？低曋髁鳟a(chǎn)品都是基于TI的DM642 處理器，產(chǎn)品特點(diǎn)是在單顆DSP芯片上實(shí)現(xiàn)多通道的H.264編碼技術(shù)，結(jié)合海康威視擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的各層次技術(shù)平臺(tái)，我們所提供的數(shù)字音視頻及圖像處理解決方案可提供高質(zhì)量的圖像壓縮性能，以及較好的性價(jià)比、更強(qiáng)大的處理能力、更靈活的客戶個(gè)性化定制、更全面的網(wǎng)絡(luò)視頻解決方案等。
選擇一款芯片對(duì)廠家來說是非常重要的決策，我們不但要考慮芯片的主要處理能力、輔助處理能力、外設(shè)接口的功能、制造工藝、功耗、成熟程度、芯片的定價(jià)、綜合制造成本、開發(fā)難易程度等因素，還要考慮芯片廠商的實(shí)力和后繼發(fā)展能力，關(guān)注其芯片產(chǎn)品的路標(biāo)計(jì)劃。另外，還要考慮的是，采用該芯片方案能否在各產(chǎn)品線進(jìn)行通用性開發(fā)，是否能盡可能的復(fù)用，成為多產(chǎn)品線的通用硬件產(chǎn)品平臺(tái)。因此我們并不傾向于為壓縮板卡和嵌入式DVR/DVS采用不同的芯片，而是采取復(fù)用的策略，盡可能地調(diào)整產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，使各產(chǎn)品中使用的芯片盡可能的單純。
對(duì)比目前的處理方案，我們希望能獲得更強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理資源，視頻的輸入端口能更豐富，同時(shí)一些常用的圖像處理功能可以協(xié)處理的方式提供，減少主處理器的運(yùn)算開銷，在視頻輸出端口方面能夠更加靈活，可以方便地輸出高分辨率的數(shù)字視頻信號(hào)，對(duì)于低通道的嵌入式DVR/DVS產(chǎn)品，采用SOC方式的圖像處理芯片會(huì)更加有吸引力。
嵌入式DVR要求主控處理器要便于開發(fā)應(yīng)用程序
金鵬當(dāng)前產(chǎn)品的基礎(chǔ)平臺(tái)是Philips PNX系列的DSP，該系列DSP接口較豐富，開發(fā)環(huán)境友好，可作為板卡與嵌入式DVR的共同平臺(tái)。金鵬基于該系列DSP實(shí)現(xiàn)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的編解碼算法，該算法具有大小可裂變的宏塊、更高的搜索精度，并采用了Deblocking技術(shù)以獲取更高的畫質(zhì)；同時(shí)，在碼流控制和低照度場(chǎng)景編碼等方面，還根據(jù)安防行業(yè)的特點(diǎn)做了針對(duì)性的改進(jìn)。
在選擇圖像處理芯片時(shí)，首先要考慮該芯片的處理能力及相關(guān)接口能否滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要，其次是看是否提供了可用于圖像處理的協(xié)處理器及其功能是否強(qiáng)大、廠家的規(guī)模、產(chǎn)品的成熟度穩(wěn)定性等。
由于板卡和嵌入式DVR產(chǎn)品的側(cè)重點(diǎn)是不同的，因此，在編碼主芯片的選擇上側(cè)重點(diǎn)也必然存在一些差異。如：板卡對(duì)各種總線接口的要求較高，而嵌入式DVR則不用考慮，如PCI接口；在設(shè)計(jì)嵌入式DVR時(shí)，必須考慮編碼用的芯片能否同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)的主控芯片，板卡則無這一方面的考慮；嵌入式DVR在編碼、存儲(chǔ)的基本功能上，還需要具備預(yù)覽、文件管理、網(wǎng)絡(luò)傳輸、WEB訪問、485接口、USB等應(yīng)用層的功能，這就要求主控處理器要便于開發(fā)應(yīng)用程序，且與編碼芯片之間要具有優(yōu)異的數(shù)據(jù)通信能力，在越來越多的應(yīng)用壓力下，多核處理器將成為一個(gè)趨勢(shì)。同時(shí)，隨著細(xì)分目標(biāo)市場(chǎng)、視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)、智能監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化、高清晰度等行業(yè)趨勢(shì)的發(fā)展完善，結(jié)合到芯片的選型上，則最終落到芯片自身的處理能力、架構(gòu)、開發(fā)環(huán)境等方面，歸根到底還是研發(fā)投入的問題。
必須根據(jù)實(shí)際需求選擇不同性能和性價(jià)比的DSP來進(jìn)行開發(fā)
2001年，圖敏在國(guó)內(nèi)率先推出了基于Philips DSP技術(shù)的MPEG4視頻編碼卡和嵌入式硬盤錄像機(jī)。我們?cè)赑hilips DSP平臺(tái)上開發(fā)的基于Psos的操作系統(tǒng)，其最大的優(yōu)勢(shì)是成熟可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，我們?cè)趩涡酒骺胤桨干?，?chuàng)造性地完成了許多底層驅(qū)動(dòng)接口和上層應(yīng)用功能，如硬盤驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)應(yīng)用、Web Server、圖形界面等，實(shí)現(xiàn)了方案的最優(yōu)性價(jià)比。
之后,我們又在國(guó)內(nèi)首家開發(fā)了基于Equator DSP的解決方案D1視頻編碼卡和視頻服務(wù)器，同時(shí)我們把這些DSP技術(shù)方案運(yùn)用在PC式和嵌入式產(chǎn)品中。基于Equator DSP的解決方案最大的優(yōu)勢(shì)是編碼運(yùn)算能力強(qiáng)大，可完成高質(zhì)量的D1編碼和雙碼流編碼，如我們現(xiàn)在產(chǎn)品在高端的D1圖像質(zhì)量上在業(yè)界處于領(lǐng)先水平就歸功于DSP能運(yùn)行我公司的核心編碼算法。而且其最新開發(fā)包支持Linux操作系統(tǒng)，便于擴(kuò)展各種接口和功能。在這方面，目前我們的視頻服務(wù)器產(chǎn)品充分利用了這個(gè)優(yōu)勢(shì)，快速開發(fā)了大量先進(jìn)的功能，如標(biāo)準(zhǔn)流媒體服務(wù)、USB2.0接口、無線網(wǎng)絡(luò)接口、pppoE協(xié)議及DDNS協(xié)議應(yīng)用等，充分滿足了用戶需求。
最近幾年，朝著音視頻壓縮方向發(fā)展的芯片公司越來越多，很多公司都推出了自己的DSP來適應(yīng)市場(chǎng)。其實(shí)每款DSP都有各自的特點(diǎn)，如多路數(shù)處理能力、網(wǎng)絡(luò)傳輸能力、高運(yùn)能速度等，這就要求我們必須根據(jù)實(shí)際需求，如網(wǎng)傳、高清編碼、智能功能等的不同，選擇不同性能和性價(jià)比的DSP來進(jìn)行開發(fā)。
PC式和嵌入式產(chǎn)品在視頻處理芯片的選擇上主要是看對(duì)芯片開發(fā)平臺(tái)的熟練應(yīng)用程度
飛利浦PNX1500是一款媒體處理器，它基于一個(gè)功能強(qiáng)大的、高度并行的32位處理器內(nèi)核（TM3260），采用5級(jí)流水結(jié)構(gòu)，內(nèi)核在執(zhí)行視頻處理任務(wù)時(shí)具有較高的效率。PNX1500還包含幾個(gè)固定功能硬件加速器和專用外設(shè)器件，主處理器內(nèi)核處理壓縮等復(fù)雜的視頻任務(wù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以對(duì)該內(nèi)核進(jìn)行編程，提供系統(tǒng)的整體效率。
正是利用PNX1500在視頻方面的獨(dú)特性，北京漢邦高科開發(fā)出了高性價(jià)比的音視頻壓縮產(chǎn)品。它充分利用了PNX1500高速的CPU處理性能和功能強(qiáng)大的音視頻硬件處理單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路音視頻的實(shí)時(shí)壓縮，完全不占用主機(jī)資源，圖像分辨率支持CIF、Half D1和Full D1。產(chǎn)品采用了目前最優(yōu)化的H.264壓縮算法，壓縮碼流的控制有了很大的提高。圖像采集和預(yù)處理均采用了目前最新的圖像處理技術(shù)，圖像質(zhì)量有了明顯提升，色彩還原更加真實(shí)，產(chǎn)品功耗很低，長(zhǎng)時(shí)間工作可不受溫度的影響，穩(wěn)定可靠性高。目前，漢邦高科可以完成在一顆芯片上4路CIF的音視頻實(shí)時(shí)壓縮和8路CIF的非實(shí)時(shí)壓縮產(chǎn)品。
針對(duì)PC式和嵌入式產(chǎn)品來講，在視頻處理芯片的選擇上不會(huì)有太大差異，主要是看各自對(duì)芯片開發(fā)平臺(tái)的熟練應(yīng)用程度。在芯片的選擇上，我們會(huì)考慮：1、芯片的CPU結(jié)構(gòu)是否適合算法的實(shí)現(xiàn)和芯片自身的處理性能。2、芯片的功耗是否能夠滿足長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作。3、芯片的外圍功能接口是否完備，如PCI、IIC、IIS等。4、芯片的開發(fā)平臺(tái)的是否完備。5、芯片價(jià)格等。
具有靈活性的、合適的音視頻接口會(huì)使產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本減少
我們選用的是PHILIPS Trimedia系列作為編碼芯片和主控CPU。該系列是PHILIPS推出的視頻專用處理器，并且公布了系列后續(xù)產(chǎn)品，包括1700系列、1900系列，該系列提供了比較全面的音視頻接口，非常適合完成嵌入式DVR的應(yīng)用。使用TRIMEDIA系列使得我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)非常統(tǒng)一、簡(jiǎn)潔，使用盡量少的外圍芯片即可實(shí)現(xiàn)比較全的功能，在降低成本的同時(shí)，也提高了穩(wěn)定性和可維護(hù)性。隨著用戶對(duì)界面和網(wǎng)絡(luò)的要求，在新一代產(chǎn)品的研發(fā)中，我們將增加新的控制CPU來完成諸如鼠標(biāo)、鍵盤接口，方便用戶的操作，同時(shí)開發(fā)新的類Windows界面，使客戶操作起來更為簡(jiǎn)單。
而一款圖像處理芯片能否作為嵌入式DVR圖像處理器，硬件方面關(guān)鍵要考慮兩點(diǎn)：穩(wěn)定性和靈活性。作為監(jiān)控錄像產(chǎn)品，穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)一個(gè)DVR產(chǎn)品最重要的性能指標(biāo)，而具有靈活性的、合適的音視頻接口會(huì)使產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本減少；其它還要考慮的有：是否具有PCI接口、存儲(chǔ)器的接口形式、功耗、主頻等。在軟件方面，關(guān)鍵因素是算法的實(shí)現(xiàn)，另外還要考慮支持什么樣的操作系統(tǒng)等，雖然嵌入式操作系統(tǒng)更加專業(yè)和可靠，但是嵌入式操作系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，沒有現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)，一切都需要自己來開發(fā)，而在采用Windows或Linux操作系統(tǒng)的PC機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)已經(jīng)比較成熟和完善。
選擇處理器的基本考量點(diǎn)在于是否具備高穩(wěn)定性
武漢恒億科技集五年在飛利浦Trimedia系列上的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，依托PNX1500的靈活架構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，推出了從CIF 到可配置不同寬高的2CIF、再到D1的編碼卡和矩陣解碼卡，所有的編碼卡使用相同的開發(fā)包。
對(duì)于視頻監(jiān)控產(chǎn)品，選擇處理器的基本考量點(diǎn)在于是否具備高穩(wěn)定性，以及是否適合復(fù)雜的視頻處理。Trimedia采用DSP+CPU結(jié)構(gòu)，可同時(shí)滿足在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中所需要的視頻輸入、視頻處理壓縮和視頻輸出三部份。PNX1500上具備實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐率和復(fù)雜運(yùn)算的能力，所以在300MHz的PNX1500上可從容實(shí)現(xiàn)H.264 D1實(shí)時(shí)壓縮；其內(nèi)核每個(gè)時(shí)鐘周期可完成多達(dá)5條的VLIW指令，使用多達(dá)128個(gè)寄存器，這樣就可以達(dá)到在有限的頻率上產(chǎn)生比其它高頻率DSP更加優(yōu)秀的性能和應(yīng)對(duì)復(fù)雜視頻運(yùn)算的能力；另外，作為專業(yè)的多媒體處理器，它還提供大量的MPEG4/H264多媒體指令。因此，可以看出只要合理的安排和使用資源，就可以使得無論是用在PCI插卡還是嵌入式DVR上，基于PNX1500的應(yīng)用都能夠穩(wěn)定可靠。
此外，另一個(gè)考量點(diǎn)是圖像效果。PNX1500采用MBS操作單元（基于內(nèi)存的縮放單元），可獨(dú)立并行完成多個(gè)視頻縮放的任務(wù)，做到高精度，高效率，完全不占用內(nèi)核資。特別是在嵌入式系統(tǒng)中，更可以使用PNX1500的QVCP（高質(zhì)量數(shù)字復(fù)合單元）完成視頻輸出，獲得更高的清晰度，且支持硬件復(fù)合文字圖像的疊加?；谶@種方式，恒億嵌入式開發(fā)平臺(tái)中的EGUI（嵌入式圖形用戶界面）輸出，不但可以節(jié)省DSP資源，同時(shí)還可以獲得良好的顯示效果。
采用統(tǒng)一平臺(tái)的戰(zhàn)略，節(jié)約研發(fā)費(fèi)用
PNX1700是Philips最新一代的多媒體SOC芯片。它在單芯片上集成了媒體處理、硬件縮放、Deinterlace、10/100Mbps自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和顯示增強(qiáng)等功能，性能是前幾代產(chǎn)品（PNX1500、PNX1300）的兩倍以上，同時(shí)保證了軟件和硬件的兼容。
四川艾之普長(zhǎng)期以來從事基于Nexperia PNX1xxx平臺(tái)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，從最初PNX1300上的Mpeg4，到PNX1500上的H.264，具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。考慮到Philips在視頻處理方面的優(yōu)勢(shì)和穩(wěn)定性，不管是板卡、還是視頻服務(wù)器、IPCam，我們都采用了統(tǒng)一平臺(tái)的戰(zhàn)略，既節(jié)約了研發(fā)費(fèi)用，也能專注于某一平臺(tái)的深入研究，以滿足產(chǎn)品的穩(wěn)定性、功能的強(qiáng)大性、升級(jí)的延續(xù)性。也正是基于以上原因，我們最終選擇了Pnx1700作為新一代視服器和IPCam的開發(fā)平臺(tái)。
和其它基于Arm＋ASIC或ARM+DSP的方案相比，PNX1700將網(wǎng)絡(luò)、視音頻壓縮功能等功能集成于一體，產(chǎn)品具有體積更小、功耗更低、更加穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)，高達(dá)500MHz的DSP核心，32MB DDR400內(nèi)存通道，10/100Mbps自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口是目前所了解的視服器和IPCam最高的配置，可從容應(yīng)對(duì)從CIF到D1格式的H.264壓縮/網(wǎng)絡(luò)傳輸。由于采用了H.264壓縮算法，使得產(chǎn)品具有更好的圖像質(zhì)量，更低的帶寬要求，且軟件升級(jí)容易。另外，內(nèi)置支持ARP、IP、UDP、TCP、MultiCast、DHCP、UpnP、DDNS、HTTPD等協(xié)議，同時(shí)支持強(qiáng)大的Client和Manager管理中心軟件系統(tǒng)，為搭建大型的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)做好了充分的準(zhǔn)備。
應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的音視頻壓縮算法做進(jìn)一步的改進(jìn)、完善，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需求
目前德加拉以TI DM642為DSP平臺(tái)，已經(jīng)成功推出了多個(gè)系列的音視頻壓縮產(chǎn)品，包括AVE6800多路音視頻壓縮卡及配套使用的AVE8000解碼卡、TVS100系列網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器和高清高速網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，這些產(chǎn)品充分利用了DM642的特點(diǎn)，并采用自主開發(fā)的算法，具有壓縮比高、實(shí)時(shí)性好、圖像質(zhì)量佳等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，外圍接口豐富的DM642使四路音視頻的預(yù)覽、壓縮均可由一個(gè)芯片完成，無需專門的預(yù)覽及四分割芯片，使得支持更多路數(shù)（48路或更多）成為可能；功耗低、發(fā)熱量低等特點(diǎn)決定了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性高；整個(gè)系統(tǒng)十分小巧，安裝方便。
嵌入式產(chǎn)品（網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器或嵌入式DVR）與PC產(chǎn)品（音視頻編解碼卡）主要不同之處在于嵌入式需要操作系統(tǒng)的支持，而作為PC產(chǎn)品需要PCI接口與PC交互。嵌入式產(chǎn)品現(xiàn)在一般采用通用嵌入式處理器+DM642的方案，這樣的產(chǎn)品充分利用通用嵌入式處理器擴(kuò)展性好、升級(jí)靈活方便的特點(diǎn)，又結(jié)合了DM642強(qiáng)大的多媒體處理能力。
另外，目前的壓縮卡對(duì)PCI-express尚有一些限制，未來可通過對(duì)預(yù)覽方式的修改來解決；同時(shí)還應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的音視頻壓縮算法做進(jìn)一步的改進(jìn)、完善，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需求。
DSP方案能夠隨著算發(fā)不斷優(yōu)化完善，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)
圖像壓縮是DVR的核心處理部分，不同實(shí)現(xiàn)方案的選擇往往直接決定了最終產(chǎn)品的特性?，F(xiàn)在，一般而言對(duì)于DVR會(huì)有兩種方案來實(shí)現(xiàn)圖像壓縮：一種是ASIC，另一種為DSP。采用ASIC方案優(yōu)點(diǎn)在于開發(fā)簡(jiǎn)單，進(jìn)入門檻低，投入少，能夠較快的推出產(chǎn)品，缺點(diǎn)在于不夠靈活，功能單一，無法不斷更新。DSP方案則需要廠家具有算法開發(fā)能力，技術(shù)難度相對(duì)較大，但能夠隨著算法不斷優(yōu)化完善，新技術(shù)應(yīng)用可以適時(shí)進(jìn)行更新，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
大立是專注于開發(fā)嵌入式DVR的廠家，為用戶提供穩(wěn)定可靠?jī)?yōu)質(zhì)產(chǎn)品始終貫穿了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中。在眾多DSP方案中，我們采用了ADI BLACKFIN DSP方案，BF561/532處理器具有功耗低、發(fā)熱小和處理能力強(qiáng)的明顯優(yōu)勢(shì)，這些特點(diǎn)決定了其非常適合在嵌入式產(chǎn)品中的應(yīng)用，符合產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間不間斷連續(xù)工作的要求。大立在DVR設(shè)計(jì)中不僅在軟件上注重模塊化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)中也強(qiáng)調(diào)模塊設(shè)計(jì)，畫面分割、圖像壓縮、運(yùn)動(dòng)偵測(cè)等模塊均在硬件上保證了彼此的獨(dú)立性，極大地降低了彼此的藕合度，從而從構(gòu)架設(shè)計(jì)上提高了產(chǎn)品穩(wěn)定性。BLACK FIN圖像壓縮芯片能極好地滿足這種設(shè)計(jì)要求，功能單一，但處理能力強(qiáng)大，能夠支持從CIF到D1的圖像壓縮要求，同時(shí)價(jià)格上也有一定的優(yōu)勢(shì)，并且我們將積極開發(fā)多種平臺(tái)技術(shù)來促使產(chǎn)品向多元化發(fā)展。
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