基于FPGA的高等級(jí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)搭建

全視頻幀速率下的高分辨率(HD)安全監(jiān)控處理系統(tǒng)對(duì)處理器件的要求越來(lái)越高，單芯片DSP處理已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)，多芯片、多核或者CPU+DSP的方式雖然在某些情況下能夠滿(mǎn)足需求，但其在PCB成本、系統(tǒng)資源占用以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面還存在一些問(wèn)題。利用FPGA的靈活特性加載視頻處理引擎的新型系統(tǒng)架構(gòu)正在引起人們的關(guān)注。

利用FPGA搭建高等級(jí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)(附圖)

成本和性能的挑戰(zhàn)

Xilinx亞洲區(qū)資深系統(tǒng)架構(gòu)師江允貴表示，監(jiān)控視頻智能分析系統(tǒng)的市場(chǎng)規(guī)模在2012年將達(dá)到8億美元。對(duì)于攝像機(jī)和DVR等視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計(jì)商和提供商而言，受制于處理性能、成本和電源等方面的限制，單芯片解決方案商業(yè)或技術(shù)上是不可行的。而利用他們的Spartan-3ADSPFPGA的可編程和性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)，可以滿(mǎn)足攝像機(jī)、虛擬障礙、對(duì)象滯后和人數(shù)統(tǒng)計(jì)等多樣監(jiān)測(cè)功能，并以單芯片的方式集成到攝像機(jī)中。

FPGA要做到這一點(diǎn)需要強(qiáng)大的視頻處理引擎來(lái)支持，位于美國(guó)加州伯克利的Eutecus公司開(kāi)發(fā)了一種蜂窩視覺(jué)技術(shù)(CVT)，這是下一代極高速影像流捕獲和處理技術(shù)，整合了獨(dú)立的大量平行處理架構(gòu)和算法。Eutecus公司總裁兼CEOStephenD.Hester表示，CVT技術(shù)受到人類(lèi)的肉眼的處理結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用該項(xiàng)技術(shù)他們可以針對(duì)智能視頻監(jiān)控和安全市場(chǎng)，為FPGA和其它器件提供影像處理IP。“我們?cè)陂_(kāi)發(fā)多核視頻分析引擎(MVE)時(shí)遇到了難題，”Hester說(shuō)，“我們的第一代產(chǎn)品基于TI的達(dá)芬奇SoC。但在第二代產(chǎn)品中，我們需要更強(qiáng)大的處理能力和系統(tǒng)集成度。多個(gè)DSP器件方案無(wú)論在成本還是在系統(tǒng)一級(jí)效益都不高。我們需要一個(gè)能夠方便地將上一代產(chǎn)品移植過(guò)來(lái)，并且能夠?yàn)槲覀兊牡诙鶰VE提供更多特性的單芯片解決方案。”

基于Spartan-3A的處理架構(gòu)

經(jīng)過(guò)一番調(diào)研，Eutecus找到了Xilinx公司的Spartan-3ADSP3400A。該器件中的126個(gè)XtremeDSPDSP48A邏輯片能夠提供高達(dá)30GMAC的DSP性能，因此完全能夠滿(mǎn)足視頻分析應(yīng)用苛刻的成本和性能要求。MVE能夠?qū)崿F(xiàn)在視頻幀速下處理高清分辨率，且功率小于1W。它是易配置、緊湊型的處理架構(gòu)，在一塊可配置建構(gòu)模塊中整合了固有的平行多核處理架構(gòu)、嵌入式復(fù)雜視頻分析算法，因此簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)和編程。MVE可同時(shí)全面地執(zhí)行多個(gè)事件檢測(cè)和并行分類(lèi)算法。

從一個(gè)平臺(tái)轉(zhuǎn)向另一個(gè)平臺(tái)架構(gòu)，可移植性是需要考慮的重要因素。Xilinx的EDK嵌入式開(kāi)發(fā)套件可以實(shí)現(xiàn)基于XilinxMicroBlaze嵌入式處理器的雙處理器硬件架構(gòu)，該架構(gòu)與TI公司達(dá)芬奇平臺(tái)雙處理器硬件架構(gòu)類(lèi)似。這樣一來(lái)，Eutecus在設(shè)計(jì)移植方面沒(méi)有任何顧慮。

“MVE嵌入在賽靈思Spartan-3ADSPFPGA中，能夠使智能相機(jī)或其它網(wǎng)絡(luò)裝置如DVR中的單芯片實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的視頻分析功能。”江允貴表示，“利用FPGA可以根據(jù)客戶(hù)需求增加更多視頻分析功能以及相關(guān)的事件檢測(cè)事例。可以利用同一硬件平臺(tái)創(chuàng)建多種不同的衍生產(chǎn)品。Eutecus使用VHDL設(shè)計(jì)了多種分析加速器引擎，并將這些專(zhuān)用內(nèi)核集成到C-MVA協(xié)處理器中。這種方法允許工程師重新利用雙MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)建不同的FPGA編程文件，這樣就構(gòu)成了高度可擴(kuò)展的解決方案，可以輕松調(diào)節(jié)適應(yīng)范圍廣泛的視頻分析應(yīng)用。”