1、FPGA在智能視頻監(jiān)控中的應用

　　由于平安城市建設的需要，更加推動了視頻監(jiān)控的發(fā)展，從而也推動了FPGA在這一領域的應用。尤其現(xiàn)在要求多通道、高清晰、網(wǎng)絡化、通信接口高速化、智能化，都促進了FPGA在這一領域的進一步發(fā)展。反之，F(xiàn)PGA的芯片技術、IP核、參考設計的進步和更新，又推動了視頻監(jiān)控的發(fā)展?，F(xiàn)在，單純采用DSP處理器或現(xiàn)成芯片(ASSP)的方法已難以滿足高性能系統(tǒng)的需求。但由于目前可編程器件具有很高的集成度和靈活性，以及低功耗和寬泛的工作范圍，其價格又不斷在下降，因此利用可編程邏輯門陣列(FPGA)特有的高性能和靈活性，使其可構建許多視頻監(jiān)控產品。

　　目前，IP攝像機的分辨率正在由標清D1逐步進化到高清(1280×1024)，并且必須進行本地實時壓縮，因而只能采用硬壓縮方式。如果采用多片DSP處理器，則將使系統(tǒng)成本、集成度和功耗增加，而讓用戶無法接受;如果采用單片低成本的FPGA器件，則性能又無法滿足設計要求。但若采用單片高性能的Stratix系列FPGA器件，則可達到要求。因為這種器件是具有相對應的結構化ASIC-Hard-Copy系列器件，還可進一步將成本降低到1/10，并降低50%的功耗。因此，可采用這種FPGA器件作單路高清IP攝像機，欲知詳情可參閱本人撰寫在AS《安防工程商》中“用于平安城市的智能網(wǎng)絡攝像機的實現(xiàn)方案”一文，其1路1280×1024/25幀/s+1路CIF/25幀/s與H.264視頻壓縮均將在FPGA硬件中實現(xiàn)。

　　軟壓縮DVR所實現(xiàn)的功能大多邏輯復雜度不高，同時對數(shù)據(jù)通路性能有一定的要求，需要具有高速接口通信能力，因而也適合用FPGA來實現(xiàn)。其縮放部分以及視頻濾波等預處理工作、DMA控制器、音頻FIFO和PCI-E部分可全部放入FPGA中。這里采用FPGA的好處是，可以靈活地實現(xiàn)任意多路的視頻輸入，并且視頻預處理的功能可以根據(jù)不同攝像機的特性靈活定制，從而達到最優(yōu)效果。

　　硬壓縮，是指采用硬件(如DSP處理器、媒體處理器和FPGA器件)來實現(xiàn)視頻壓縮，然后直接存貯或通過網(wǎng)絡傳送等。而從成本和易實現(xiàn)性等方面考慮，高端Stratix系列FPGA更適合H.264高清分辨率壓縮。多路硬壓縮DVR的通道數(shù)包含4、8、16通道，有的甚至超過24通道。系統(tǒng)的核心是多通道壓縮，用FPGA實現(xiàn)方案與傳統(tǒng)的ASSP或DSP處理器實現(xiàn)方法不同，它是一種更靈活、可擴展性更強、單路視頻成本和功耗更低的解決方案。最新的65nm低成本FPGA CycloneⅢ在功耗方面擁有很大優(yōu)勢，這種單芯片可以支持最大到16通道的H.264編碼。欲了解用FPGA實現(xiàn)硬壓縮與軟壓縮DVR的，可參閱本人撰寫在AS《安防工程商》中“智能網(wǎng)絡DVR的實現(xiàn)方案”一文。

　　為了能在本地監(jiān)視多通道的畫面，通常需要復用多通道視頻數(shù)據(jù)和對畫面進行分割與縮放，因此，必須將標準的CCIR656格式數(shù)據(jù)送入視頻復用縮放分割部分處理。FPGA CycloneⅢ器件中豐富的M9K內存資源較適合用作視頻復用縮放算法時必需的行緩存，從而這部分能快速實現(xiàn)畫面復用縮放及分割功能。然后送入多通道H.264 D1+CIF編碼部分，而FPGA內在的強大并行處理能力可以滿足H.264算法對處理速度的要求。這與多個ASSP或DSP處理器實現(xiàn)方案相比，單芯片F(xiàn)PGA提供了更穩(wěn)定的系統(tǒng)性能、更低的成本以及最佳的性價比。[nextpage]

　　2、用FPGA實現(xiàn)DSP實時視頻處理功能

　　與ASSP和芯片組解決方案相比，F(xiàn)PGA可根據(jù)設計工程師的實際需求提供不同層次的靈活性，并保持明顯優(yōu)于傳統(tǒng)DSP的性能。實時視頻處理對系統(tǒng)性能的要求極高，因此幾乎所有只具最簡單功能的通用DSP都不具備這項功能。而可編程邏輯器件允許設計人員利用并行處理技術實現(xiàn)視頻信號處理算法，并且只需單個器件就能實現(xiàn)所期望的性能。基于DSP的解決方案通常需要在單板上嵌入許多DSP，以得到必需的處理能力，這無疑將增加程序資源和數(shù)據(jù)存儲器資源開銷。由于在極窄的傳輸信道(如無線信道)上發(fā)送高帶寬視頻數(shù)據(jù)并保持適當?shù)臉I(yè)務質量(QoS)極其困難，因此設計人員建立在FPGA實現(xiàn)的基礎上致力于改進糾錯、壓縮和圖像處理技術。MPEG-4算法的核心是一種稱為離散余弦變換(DCT)的操作，其DCT部分已經標準化并能在FPGA中有效實現(xiàn)，許多專用MPEG解碼器在這些部分(如運動估計模塊)也使用了FPGA。因為FPGA可重新配置，因此器件能方便地進行刷新，并在整個開發(fā)階段(包括配置之后)集成新算法。

　　視頻系統(tǒng)另一重要部分是色彩空間轉換，采用FPGA的系統(tǒng)架構就能調整應用系統(tǒng)的算法，由此實現(xiàn)最佳的性能和效率。FPGA可以通過定制調整提供最具實用價值的高性能高效率產品，設計人員可在適用范圍和速率之間進行折衷考慮，從而以比DSP時鐘低得多的速率實現(xiàn)指定功能。如在中值濾波器應用中，DSP處理器需要67個時鐘周期執(zhí)行算法，而FPGA只需工作在25MHz頻率下，因為FPGA能并行實現(xiàn)該功能。但實現(xiàn)上述功能的DSP必須工作在1.5GHz頻率下，可見在此特定應用中，F(xiàn)PGA解決方案的處理能力可以達到100MHz DSP處理器的17倍。

　　許多實時圖像和視頻處理功能均適合于用FPGA器件來實現(xiàn)，包括有：圖像旋轉、圖像縮放色彩校正和色度校正、陰影增強、邊緣檢測、直方圖功能、銳化、中值濾波器和斑點分析等。許多功能都針對特定的應用和系統(tǒng)，并構建在核心架構(如2D-FIR濾波器)之上。我們可以利用HDL設計語言或高級內核設計工具(如Xilinx CoreGen軟件)中的DSP程序塊迅速實現(xiàn)這些功能。此外，還能通過系統(tǒng)級設計方法，利用Matlabs Simulink和Xilinx System Generator工具進一步減少設計和仿真時間。

　　3、利用FPGA構建嵌入式系統(tǒng)的圖像和視頻控制器

　　采用FPGA器件構建視頻和圖像控制器，正在使圖像顯示技術進入越來越多的嵌入式應用。由于在性能和靈活性方面的完美組合，F(xiàn)PGA在DSP領域的應用越來越普遍。

　　Actel公司宣布推出全新的低功耗現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)系列IGLOO PLUS，進一步擴展其面向具有功耗意識設計的廣泛的低功耗可編程解決方案資源。全新的FPGA器件提供可編程邏輯器件中每I/O最佳的功耗、面積、邏輯和功能比率。IGLOO PLUS系列的靜態(tài)功耗僅5μW，并經過I/O優(yōu)化，比較Actel屢獲殊榮的IGLOO系列提供多出64%的I/O，并支持獨立的施密特觸發(fā)器輸入、熱插拔和Flash Freeze總線保持。由于IGLOO PLUS系列器件具有低功耗和經I/O優(yōu)化，這使其成為消費電子、工業(yè)、通信、醫(yī)療和測試應用領域中便攜式電子設備的理想選擇，尤其是那些需要I/O密集內存總線操作、通用I/O擴展、排序、接口轉換、存儲，以及人機界面觸摸屏和鍵盤技術的應用。