视频监控/安全系统实现方案
2009/09/04
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。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:
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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