高清視頻監控FPGA應用迎來(lái)小高峰

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

　　FPGA視頻監控應用迅速打開(kāi)

　　以全國“平安城市”項目為代表的大量高清視頻監控需求的高速增長(cháng)，以及當時(shí)高清攝像機所必須的ISP芯片ASIC/ASSP還不成熟，給FPGA留出了施展其可編程優(yōu)勢的空間和舞臺。

　　在2009年之前，視頻監控還處于標清(D1分辨率，40萬(wàn)像素)時(shí)代，攝像機使用的圖像信號處理(ImageSignalProcessing，簡(jiǎn)稱(chēng)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。所以說(shuō)，FPGA在視頻監控領(lǐng)域的應用，是隨著(zhù)高清視頻監控系統的興起而打開(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 )高清監控項目，需安裝的高清CCDIP攝像機達到1萬(wàn)多臺。在每臺攝像機中，都需使用FPGA芯片。

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

　　總體來(lái)說(shuō)，FPGA在視頻監控系統中的主流應用包括：

　　一是用于高清攝像機的大運算量圖像處理。這包括與常用攝像機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(例如去霧、防抖、圖像非一致性校正等)的ISP設計、視頻智能分析算法等。

　　二是CCD時(shí)序驅動(dòng)信號生成。使用不同廠(chǎng)家的CCD圖像傳感器，需要設計不同的CCD驅動(dòng)時(shí)序信號。

　　三是用于視頻監控中心的高清數字視頻矩陣切換和光纖視頻通道接入。

　　靈活性與高密度運算是強項

　　FPGA可大規模并行的高密度運算、邏輯可編程的靈活性、超高帶寬數據互連和可為內部提供高達4GBps以上的數據傳輸帶寬使其具備無(wú)可替代的優(yōu)勢。

　　隨著(zhù)高清IP攝像機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)接口的攝像機單芯片SoCASIC方案，在監控市場(chǎng)上大量涌現。這些SoC供應商包括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，使FPGA在ISP領(lǐng)域的應用范圍大幅縮小。這種情況一直持續到2012年下半年，在高清CMOSIP攝像機產(chǎn)品中尤為明顯。

　　與這種趨勢相抗衡的是，第一，對于高清CCD攝像機，FPGA的地位仍然不可動(dòng)搖。由于驅動(dòng)CCD圖像傳感器的時(shí)序信號具有自定義和靈活性的要求，FPGA不可缺少。

　　第二，視頻監控領(lǐng)域的智能化趨勢將大力推進(jìn)FPGA在此領(lǐng)域的深入應用。高清視頻監控應用，其數字化和網(wǎng)絡(luò )化已逐漸成熟，現在正在向智能化快速邁進(jìn)。高清IP攝像機的智能化，提出了包括各種人、物體和文字的檢測、識別和提取，目標行為分析和統計等等需求，都需要巨大的運算量。由于安防系統對關(guān)鍵事件的快速發(fā)現和響應的高要求，這些運算都必須在短時(shí)間內完成。單位時(shí)間內的高密度運算，正是FPGA的強項所在。

　　在視頻監控領(lǐng)域，FPGA用來(lái)戰勝ASIC或者SoC所依靠的優(yōu)勢主要有：

　　第一，可大規模并行的高密度運算;

　　第二，邏輯可編程的靈活性;

　　第三，大量3.125Gbps或以上高速SERDES的超高帶寬數據互連;

　　第四，嵌入了ARMA9處理器的FPGA，可以為其內部CPU和FPGA邏輯之間提供高達4GBps或以上的數據傳輸帶寬。

　　在視頻監控這個(gè)FPGA的新興市場(chǎng)，FPGA和ASIC/ASSP兩種方案，依然是共存的，且競爭依舊激烈。從本質(zhì)上看，兩種方案都是憑借自己有別于對方的技術(shù)特色，取得競爭優(yōu)勢。

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

　　從宏觀(guān)上看，隨著(zhù)半導體工藝的不斷進(jìn)步，與ASIC方案相比，FPGA的發(fā)展優(yōu)勢將越來(lái)越明顯，成長(cháng)空間也廣闊。因為FPGA保持著(zhù)兩個(gè)根本優(yōu)勢：

　　第一，FPGA總是可以基于最新的半導體工藝進(jìn)步，實(shí)現跨入下一代的升級。這是許多ASIC方案無(wú)法實(shí)現的。因為不斷使用最新半導體工藝開(kāi)發(fā)芯片，意味著(zhù)開(kāi)發(fā)階段的投片成本以幾何級數增加，這要求每一個(gè)以新工藝開(kāi)發(fā)的ASIC項目，其市場(chǎng)銷(xiāo)量也需要比上一代成倍增加，如此一來(lái)，能夠持續與FPGA競爭、持續使用新工藝開(kāi)發(fā)的ASIC項目只會(huì )越來(lái)越少。觀(guān)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，其投片費用其實(shí)是由全世界的FPGA用戶(hù)分擔的，所以在持續使用半導體新工藝方面沒(méi)有障礙。

　　第二，由于FPGA的升級換代可以與半導體新工藝的發(fā)展同步，這給予了FPGA在性能、功耗等方面持續提升的空間，也給FPGA在性?xún)r(jià)比方面超越ASIC提供了可能。誠然，在不斷演進(jìn)的過(guò)程中，FPGA的成本下降趨勢可能會(huì )逐步放緩或進(jìn)入平臺區。

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

　　未來(lái)需更低功耗與成本

　　未來(lái)視頻監控系統必將變得越來(lái)越復雜，對FPGA提出的要求基本方向沒(méi)有改變，即更強的運算性能和IO帶寬、更低的功耗、更低的成本。

　　當前的視頻監控應用，對FPGA器件性能提出了更高的要求，包括：

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

　　二是FPGA需經(jīng)常承擔單位時(shí)間內基于視頻幀的高密度數據運算。不同的算法所需要讀取的參考幀數量不同。這些高清視頻幀數據的快速訪(fǎng)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數據讀取，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(xiàn)位寬，訪(fǎng)問(wèn)速率達到1066Mbps或以上的DDR3SDRAM控制器硬核。

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

　　未來(lái)視頻監控系統必將變得越來(lái)越復雜，對FPGA提出的要求基本方向沒(méi)有改變，即更強的運算性能和IO帶寬、更低的功耗、更低的成本。

　　視頻監控產(chǎn)品的價(jià)格定位，是在專(zhuān)用工業(yè)設備和消費電子產(chǎn)品之間，并且逐步向消費電子產(chǎn)品的價(jià)格區間靠近。所以，產(chǎn)品的成本壓力是很大的。

　　對于攝像機產(chǎn)品，往往外觀(guān)尺寸都較為小巧。此外，由于攝像機產(chǎn)品經(jīng)常被安裝在公路邊、廠(chǎng)區、野外等露天場(chǎng)所，溫度環(huán)境較為嚴酷。所以，為了達到較高的使用壽命和可靠性，對于產(chǎn)品內部IC的功耗也有嚴格要求，需盡量選用低功耗的芯片。

　　基于此，FPGA廠(chǎng)商在提高FPGA邏輯布通率方面就需要有大幅改進(jìn)?，F在，業(yè)界主流FPGA廠(chǎng)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語(yǔ)言的硬件邏輯開(kāi)發(fā)工具并非易事，他們需要對這些編譯器硬件邏輯綜合策略、FPGA硬件架構、FPGA設計理念等有充分的理解。?？低暪咀鳛橐患乙曨l監控領(lǐng)域的先進(jìn)廠(chǎng)商，在把中低端產(chǎn)品做好做精的同時(shí)，將高端產(chǎn)品相對競爭對手實(shí)現差異化，在功能或性能上領(lǐng)先業(yè)界。

　　基于對FPGA相對優(yōu)勢的分析，FPGA更適合用于以下產(chǎn)品：智能交通攝像機、視音頻光端機、視頻綜合平臺等細分市場(chǎng)。