高清視頻監(jiān)控FPGA應(yīng)用迎來(lái)小高峰

　　我們知道，通信領(lǐng)域歷來(lái)是FPGA應(yīng)用的傳統(tǒng)主流市場(chǎng)，也是業(yè)界領(lǐng)先FPGA廠商傾力爭(zhēng)奪的大市場(chǎng)。但是從2009年開(kāi)始，隨著百萬(wàn)像素高清標(biāo)準(zhǔn)(720p及1080p)在視頻監(jiān)控領(lǐng)域從小眾走向主流，FPGA應(yīng)用迎來(lái)了又一個(gè)廣闊的市場(chǎng)空間。

　　FPGA視頻監(jiān)控應(yīng)用迅速打開(kāi)

　　以全國(guó)“平安城市”項(xiàng)目為代表的大量高清視頻監(jiān)控需求的高速增長(zhǎng)，以及當(dāng)時(shí)高清攝像機(jī)所必須的ISP芯片ASIC/ASSP還不成熟，給FPGA留出了施展其可編程優(yōu)勢(shì)的空間和舞臺(tái)。

　　在2009年之前，視頻監(jiān)控還處于標(biāo)清(D1分辨率，40萬(wàn)像素)時(shí)代，攝像機(jī)使用的圖像信號(hào)處理(ImageSignalProcessing，簡(jiǎn)稱ISP)芯片，基本被索尼公司推出的一代又一代ASIC芯片組所壟斷。高清監(jiān)控需求的崛起，改變了這種局面，也給FPGA打造了寬闊的施展平臺(tái)。所以說(shuō)，F(xiàn)PGA在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用，是隨著高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的興起而打開(kāi)的。具有代表性的是，由于2010年上海世博會(huì)的召開(kāi)，上海浦東世博會(huì)高清監(jiān)控項(xiàng)目，需安裝的高清CCDIP攝像機(jī)達(dá)到1萬(wàn)多臺(tái)。在每臺(tái)攝像機(jī)中，都需使用FPGA芯片。

　　FPGA在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用空間就此被迅速打開(kāi)，其主要原因是以全國(guó)“平安城市”項(xiàng)目為代表的大量高清視頻監(jiān)控需求的高速增長(zhǎng)，以及當(dāng)時(shí)高清攝像機(jī)所必須的ISP芯片ASIC/ASSP還不成熟，給FPGA留出了施展其可編程優(yōu)勢(shì)的空間和舞臺(tái)。這是FPGA蠶食ASIC市場(chǎng)的一個(gè)典型事例。

　　總體來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的主流應(yīng)用包括：

　　一是用于高清攝像機(jī)的大運(yùn)算量圖像處理。這包括與常用攝像機(jī)SoCASIC所集成的圖像處理硬核相比，在功能和性能方面進(jìn)行了差異化增強(qiáng)(例如去霧、防抖、圖像非一致性校正等)的ISP設(shè)計(jì)、視頻智能分析算法等。

　　二是CCD時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成。使用不同廠家的CCD圖像傳感器，需要設(shè)計(jì)不同的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)。

　　三是用于視頻監(jiān)控中心的高清數(shù)字視頻矩陣切換和光纖視頻通道接入。

　　靈活性與高密度運(yùn)算是強(qiáng)項(xiàng)

　　FPGA可大規(guī)模并行的高密度運(yùn)算、邏輯可編程的靈活性、超高帶寬數(shù)據(jù)互連和可為內(nèi)部提供高達(dá)4GBps以上的數(shù)據(jù)傳輸帶寬使其具備無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。

　　隨著高清IP攝像機(jī)的不斷成熟和快速普及，大量功能全面、性能優(yōu)秀，同時(shí)嵌入了ISP、H.264視頻編碼、高性能ARM處理器和以太網(wǎng)接口的攝像機(jī)單芯片SoCASIC方案，在監(jiān)控市場(chǎng)上大量涌現(xiàn)。這些SoC供應(yīng)商包括TI、海思、NXP等等。這些單芯片SoCASIC憑借低成本、低功耗的明顯優(yōu)勢(shì)，使FPGA在ISP領(lǐng)域的應(yīng)用范圍大幅縮小。這種情況一直持續(xù)到2012年下半年，在高清CMOSIP攝像機(jī)產(chǎn)品中尤為明顯。

　　與這種趨勢(shì)相抗衡的是，第一，對(duì)于高清CCD攝像機(jī)，F(xiàn)PGA的地位仍然不可動(dòng)搖。由于驅(qū)動(dòng)CCD圖像傳感器的時(shí)序信號(hào)具有自定義和靈活性的要求，F(xiàn)PGA不可缺少。

　　第二，視頻監(jiān)控領(lǐng)域的智能化趨勢(shì)將大力推進(jìn)FPGA在此領(lǐng)域的深入應(yīng)用。高清視頻監(jiān)控應(yīng)用，其數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化已逐漸成熟，現(xiàn)在正在向智能化快速邁進(jìn)。高清IP攝像機(jī)的智能化，提出了包括各種人、物體和文字的檢測(cè)、識(shí)別和提取，目標(biāo)行為分析和統(tǒng)計(jì)等等需求，都需要巨大的運(yùn)算量。由于安防系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵事件的快速發(fā)現(xiàn)和響應(yīng)的高要求，這些運(yùn)算都必須在短時(shí)間內(nèi)完成。單位時(shí)間內(nèi)的高密度運(yùn)算，正是FPGA的強(qiáng)項(xiàng)所在。

　　在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，F(xiàn)PGA用來(lái)戰(zhàn)勝ASIC或者SoC所依靠的優(yōu)勢(shì)主要有：

　　第一，可大規(guī)模并行的高密度運(yùn)算;

　　第二，邏輯可編程的靈活性;

　　第三，大量3.125Gbps或以上高速SERDES的超高帶寬數(shù)據(jù)互連;

　　第四，嵌入了ARMA9處理器的FPGA，可以為其內(nèi)部CPU和FPGA邏輯之間提供高達(dá)4GBps或以上的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

　　在視頻監(jiān)控這個(gè)FPGA的新興市場(chǎng)，F(xiàn)PGA和ASIC/ASSP兩種方案，依然是共存的，且競(jìng)爭(zhēng)依舊激烈。從本質(zhì)上看，兩種方案都是憑借自己有別于對(duì)方的技術(shù)特色，取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　與ASIC相比，F(xiàn)PGA的功耗偏大、成本偏高的短板也是明顯的。只是，隨著半導(dǎo)體工藝的不斷推陳出新，這些短板也在持續(xù)改進(jìn)之中，我們需要以發(fā)展、變化的眼光去看待。

　　從宏觀上看，隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步，與ASIC方案相比，F(xiàn)PGA的發(fā)展優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越明顯，成長(zhǎng)空間也廣闊。因?yàn)镕PGA保持著兩個(gè)根本優(yōu)勢(shì)：

　　第一，F(xiàn)PGA總是可以基于最新的半導(dǎo)體工藝進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)跨入下一代的升級(jí)。這是許多ASIC方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)椴粩嗍褂米钚掳雽?dǎo)體工藝開(kāi)發(fā)芯片，意味著開(kāi)發(fā)階段的投片成本以幾何級(jí)數(shù)增加，這要求每一個(gè)以新工藝開(kāi)發(fā)的ASIC項(xiàng)目，其市場(chǎng)銷量也需要比上一代成倍增加，如此一來(lái)，能夠持續(xù)與FPGA競(jìng)爭(zhēng)、持續(xù)使用新工藝開(kāi)發(fā)的ASIC項(xiàng)目只會(huì)越來(lái)越少。觀察FPGA我們看到，由于FPGA是通用的可編程芯片，每次開(kāi)發(fā)出新一代的FPGA，其投片費(fèi)用其實(shí)是由全世界的FPGA用戶分擔(dān)的，所以在持續(xù)使用半導(dǎo)體新工藝方面沒(méi)有障礙。

　　第二，由于FPGA的升級(jí)換代可以與半導(dǎo)體新工藝的發(fā)展同步，這給予了FPGA在性能、功耗等方面持續(xù)提升的空間，也給FPGA在性價(jià)比方面超越ASIC提供了可能。誠(chéng)然，在不斷演進(jìn)的過(guò)程中，F(xiàn)PGA的成本下降趨勢(shì)可能會(huì)逐步放緩或進(jìn)入平臺(tái)區(qū)。

　　基于FPGA的以上優(yōu)勢(shì)，我們有理由對(duì)FPGA的未來(lái)發(fā)展空間充滿信心。

　　未來(lái)需更低功耗與成本

　　未來(lái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將變得越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)FPGA提出的要求基本方向沒(méi)有改變，即更強(qiáng)的運(yùn)算性能和IO帶寬、更低的功耗、更低的成本。

　　當(dāng)前的視頻監(jiān)控應(yīng)用，對(duì)FPGA器件性能提出了更高的要求，包括：

　　一是更高的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。對(duì)于處理1080p分辨率、幀率為50fps/60fps的視頻，F(xiàn)PGA硬件流水線的系統(tǒng)時(shí)鐘至少需運(yùn)行在148.5MHz或以上。還需要FPGA提供160MHz或以上的系統(tǒng)最高主頻。

　　二是FPGA需經(jīng)常承擔(dān)單位時(shí)間內(nèi)基于視頻幀的高密度數(shù)據(jù)運(yùn)算。不同的算法所需要讀取的參考幀數(shù)量不同。這些高清視頻幀數(shù)據(jù)的快速訪問(wèn)，需要FPGA提供足夠大的DDRSDRAM讀寫(xiě)有效帶寬。每增加1幀1080p/50的YUV422數(shù)據(jù)讀取，需DDRSDRAM控制器增加210MBps的有效帶寬。還需要FPGA提供支持64-bit外部總線位寬，訪問(wèn)速率達(dá)到1066Mbps或以上的DDR3SDRAM控制器硬核。

　　三是視頻處理算法FPGA邏輯經(jīng)常出現(xiàn)子模塊的數(shù)據(jù)互連關(guān)系較為復(fù)雜，消耗的布線資源較多，而且產(chǎn)品成本的壓力要求芯片內(nèi)邏輯利用率很高，這些都要求FPGA在資源占用很滿的情況下，具有較高的布通率。

　　未來(lái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將變得越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)FPGA提出的要求基本方向沒(méi)有改變，即更強(qiáng)的運(yùn)算性能和IO帶寬、更低的功耗、更低的成本。

　　視頻監(jiān)控產(chǎn)品的價(jià)格定位，是在專用工業(yè)設(shè)備和消費(fèi)電子產(chǎn)品之間，并且逐步向消費(fèi)電子產(chǎn)品的價(jià)格區(qū)間靠近。所以，產(chǎn)品的成本壓力是很大的。

　　對(duì)于攝像機(jī)產(chǎn)品，往往外觀尺寸都較為小巧。此外，由于攝像機(jī)產(chǎn)品經(jīng)常被安裝在公路邊、廠區(qū)、野外等露天場(chǎng)所，溫度環(huán)境較為嚴(yán)酷。所以，為了達(dá)到較高的使用壽命和可靠性，對(duì)于產(chǎn)品內(nèi)部IC的功耗也有嚴(yán)格要求，需盡量選用低功耗的芯片。

　　基于此，F(xiàn)PGA廠商在提高FPGA邏輯布通率方面就需要有大幅改進(jìn)?，F(xiàn)在，業(yè)界主流FPGA廠商Xilinx和Altera公司相繼推出了基于C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)FPGA硬件邏輯的開(kāi)發(fā)工具HLS(HighLevelSynthesis)和Open-CL，這將使開(kāi)發(fā)FPGA算法邏輯的開(kāi)發(fā)時(shí)間大幅縮短，仿真和調(diào)試效率大幅提高，最終也將大幅提高生產(chǎn)力。但是，軟件或硬件工程師要充分掌握這些基于高級(jí)語(yǔ)言的硬件邏輯開(kāi)發(fā)工具并非易事，他們需要對(duì)這些編譯器硬件邏輯綜合策略、FPGA硬件架構(gòu)、FPGA設(shè)計(jì)理念等有充分的理解。?？低暪咀鳛橐患乙曨l監(jiān)控領(lǐng)域的先進(jìn)廠商，在把中低端產(chǎn)品做好做精的同時(shí)，將高端產(chǎn)品相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手實(shí)現(xiàn)差異化，在功能或性能上領(lǐng)先業(yè)界。

　　基于對(duì)FPGA相對(duì)優(yōu)勢(shì)的分析，F(xiàn)PGA更適合用于以下產(chǎn)品：智能交通攝像機(jī)、視音頻光端機(jī)、視頻綜合平臺(tái)等細(xì)分市場(chǎng)。