由于平安城市建设的需要,进一步推动了视频监控的发展,从而也推动了FPGA在该领域的应用。
尤其是现在对多通道、高清、网络化、高速通信接口、智能化的要求,推动了通信领域的进一步发展。 基于 FPGA 的视频墙控制器.
相反,FPGA芯片技术、IP核、参考设计的进步和更新,推动了视频监控的发展。
现在,仅仅使用DSP处理器或现成的芯片(ASSP)已经难以满足高性能系统的需求。
但是,由于当前可编程器件的高集成度和灵活性,以及低功耗和宽工作范围,它们的价格不断下降。 因此,使用了可编程逻辑门阵列 (FPGA) 独特的高性能和灵活性。 ,从而可以构建很多视频监控产品。
1. 是什么让 FPGA 与众不同?
FPGA可以像GPU或CPU一样进行编程,但是针对并行,低延迟,高吞吐量的问题,例如推理和深度神经网络。
FPGA 有许多优点,其中最显着的是速度。
虽然相对于现代 CPU,FPGA 以较慢的时钟速度运行,但它们基本上是并发的,而不是运行顺序指令流,数据在这些并发操作之间以最佳方式流动,从而显着提高了性能。
应用程序的运行速度可能比传统CPU上运行的相同代码快100倍。
FPGA 包含数百万个可重新编程的逻辑块,可用于同时执行多项操作,带来并行性和并发性的优势。
在编写代码时,工程师可以通过将问题分解为可以并发运行的结构良好、自包含的流程来利用这种并行架构。
例如,当非并发处理图像时,单个工作人员将逐个像素地处理整个图像。 但是当同时处理同一幅图像时,它会被分解成由不同工人同时处理的片段,然后再拼凑在一起。
这使得过程更加复杂但速度更快——传入的数据必须以最佳方式分开,有效地分发给工作人员,然后收集和重新组合处理过的数据,理想情况下不会阻塞工作管道。
在普通 CPU 中,这涉及从内存中推入和拉出数据,以及用于进程就内存当前状态达成一致的昂贵协议。 即使是最大的 Intel CPU 也只有 18 个
核心。 相比之下,在 FPGA 中,可以设计数据流,使其永远不会离开芯片。
可能会发生数以万计的并发进程,并且处理时间经过优化,因此吞吐量
总是最大的。
2、FPGA在智能视频监控中的应用
目前IP摄像机的分辨率正在从标清D1逐步向高清(1920×1080)演进,必须进行本地实时压缩,只能采用硬压缩。 如果使用多个DSP处理器,系统成本、集成度和功耗都会增加,这是用户无法接受的; 如果采用单片低成本FPGA器件,性能达不到设计要求。
但是,如果使用单片高性能Stratix 系列FPGA 器件,则可以满足要求。 由于该器件具有相应结构的ASIC-Hard-Copy系列器件,可进一步将成本降低1/10,功耗降低50%。 因此,该 FPGA 器件可用作单通道高清 IP 摄像机
为了在本地监控多路画面,通常需要对多路视频数据进行复用,并对画面进行分割和缩放。 因此,标准的CCIR656格式数据必须送到视频复用缩放分割部分进行处理。
FPGA器件中丰富的内存资源更适合作为视频复用缩放算法所必需的行缓存,因此这部分可以快速实现屏幕复用和缩放分割功能。
然后送到多路H.264 D1+CIF编码部分,FPGA固有的强大并行处理能力可以满足H.264算法的处理速度要求。 与多种ASSP或DSP处理器实现方案相比,单片FPGA提供更稳定的系统性能、更低的成本和最佳的性价比。
3、利用FPGA实现DSP实时视频处理功能
与ASSP和芯片组解决方案相比,FPGA可以根据设计工程师的实际需求提供不同程度的灵活性,并保持明显优于传统DSP的性能。
实时视频处理对系统性能要求极高,因此几乎所有功能最简单的通用DSP都不具备该功能。
可编程逻辑器件允许设计人员使用并行处理技术来实现视频信号处理算法,并且只有单个器件才能达到所需的性能。
基于DSP的解决方案通常需要在单板上嵌入多个DSP才能获得必要的处理能力,这无疑会增加程序资源和数据存储器资源的开销。
由于在极窄的传输通道(如无线通道)上发送高带宽视频数据并保持适当的服务质量(QoS)极其困难,因此设计人员致力于基于FPGA实现改进纠错、压缩和图像处理. 技术。
MPEG-4 算法的核心是一种称为离散余弦变换 (DCT) 的操作。 DCT部分已经标准化,可以在FPGA中有效实现。 许多专用的 MPEG 解码器也使用这些部件(例如运动估计模块)。 FPGA。
由于 FPGA 可以重新配置,因此可以在整个开发阶段(包括配置后)轻松更新设备并集成新算法。
视频系统的另一个重要部分是色彩空间转换。 FPGA系统架构可以调整应用系统的算法,以达到最佳的性能和效率。
FPGA可以通过定制调整,提供最实用、最有价值的高效能产品。 设计人员可以在应用范围和速度之间进行折衷,从而以比 DSP 时钟低得多的速率实现指定的功能。
例如,在中值滤波器应用中,DSP处理器需要67个时钟周期来执行算法,而FPGA只需要工作在25MHz的频率,因为FPGA可以并行实现这个功能。
但是实现上述功能的DSP必须工作在1.5GHz的频率下,可见在这个特定的应用中,FPGA解决方案的处理能力可以达到17MHz DSP处理器的100倍。
许多实时图像和视频处理功能适合用FPGA器件实现,包括:图像旋转、图像缩放、色彩校正和色度校正、阴影增强、边缘检测、直方图函数、锐化、中值滤波和散斑分析等。功能针对特定应用和系统,并建立在核心架构(例如 2D-FIR 滤波器)之上。
4. 使用FPGA构建嵌入式系统的图像和视频墙控制器
使用 FPGA 器件构建视频和图像控制器正在使图像显示技术进入越来越多的嵌入式应用。 由于性能和灵活性的完美结合,FPGA在DSP领域的应用越来越普遍。
SEMEC 推出了新的低功耗现场可编程门阵列 (FPGA) 系列视频墙控制器,进一步扩展了其资源,用于针对功耗敏感设计的各种低功耗可编程解决方案。
新的 FPGA 器件提供了可编程逻辑器件中每个 I/O 的最佳功耗、面积、逻辑和功能比。 这使其成为消费电子、工业、通信、医疗和测试应用中便携式电子设备的理想选择,尤其是那些需要 I/O 密集型内存总线操作、通用 I/O 扩展、排序、接口转换、存储,以及人机界面触摸屏和键盘技术的应用。