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視頻監(jiān)控系統(tǒng)中基于FPGA方案的視頻處理

2009/04/09

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)是火車(chē)站、機(jī)場(chǎng)、銀行、娛樂(lè)場(chǎng)所、購(gòu)物中心甚至家庭保安的重要組件。隨著安全風(fēng)險(xiǎn)增加，對(duì)視覺(jué)監(jiān)視和記錄事件的需求以多種使用模式激增。因此，新架構(gòu)必須為橫跨一整套日漸繁雜的視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求的成本效益方案提供可擴(kuò)展性。

　　上市時(shí)間的壓力、新CODEC標(biāo)準(zhǔn)、日益廣泛的要求(包括先進(jìn)的目標(biāo)探測(cè)、運(yùn)動(dòng)探測(cè)、目標(biāo)跟蹤和目標(biāo)跟蹤特性)，這些不過(guò)是新型視頻監(jiān)控架構(gòu)所面臨挑戰(zhàn)中的幾項(xiàng)。伴隨挑戰(zhàn)而來(lái)的是對(duì)可擴(kuò)展為不同性能范圍的實(shí)現(xiàn)的需求。

　　對(duì)于從低端到高端以及從單機(jī)到PC擴(kuò)展卡的任何視頻監(jiān)控系統(tǒng)，XilinxFPGA都是理想的解決方案。

視頻監(jiān)控和DVR系統(tǒng)

　　數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)字視頻錄像機(jī)(DVR)正在迅速采用先進(jìn)的數(shù)字視頻壓縮。大多數(shù)DVR制造商從MPEG4向H.264高清晰度(HD)CODEC轉(zhuǎn)移，對(duì)更高分辨率和壓縮速度的需求也隨之增加。專用芯片(ASSP)對(duì)大批量應(yīng)用很有用，但缺少靈活性，開(kāi)發(fā)成本高，而且開(kāi)發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)；大多數(shù)高級(jí)數(shù)字媒體處理器則只能執(zhí)行H.264HD解碼(而H.264HD編碼比解碼還要復(fù)雜得多)。滿足H.264HD性能要求的最佳解決方案是使用一個(gè)FPGA加上一個(gè)外部DSP或數(shù)字媒體處理器。

　　使用低成本的XilinxFPGA，可以更進(jìn)一步提供運(yùn)動(dòng)探測(cè)、視頻縮放、顏色空間轉(zhuǎn)換、硬盤(pán)接口和DDR2存儲(chǔ)器接口，還可以將兩個(gè)27-MHzITU-RBT656數(shù)據(jù)流時(shí)分多路傳輸?shù)揭粋€(gè)54MHz數(shù)據(jù)流中，同時(shí)為DSP處理器提供視頻加速。要將兩個(gè)ITU-RBT656數(shù)據(jù)流多路傳輸?shù)揭粋€(gè)ITU-RBT656數(shù)據(jù)流中，僅需要一個(gè)通道視頻端口來(lái)獨(dú)立地傳輸完整的二通道視頻數(shù)據(jù)。要為只有一個(gè)ITU-RBT656視頻輸入端口的數(shù)字媒體處理器提供接口，這種實(shí)現(xiàn)方法非常有用。圖1所示就是這樣一種建議架構(gòu)的框圖。

　　對(duì)于使用德州儀器公司DaVinci處理器(僅有一個(gè)ITU-RBT656視頻輸入端口)的DVR設(shè)計(jì)，需要一種更有效的實(shí)現(xiàn)方法將兩個(gè)或更多ITU-RBT656數(shù)據(jù)流時(shí)分多路傳輸?shù)揭粋€(gè)VLYNQ數(shù)據(jù)流中，然后才能將其輸送到DaVinci處理器。使用上述實(shí)現(xiàn)方法，您用少得多的I/O引腳就能傳輸視頻流，而且可以降低系統(tǒng)成本，因?yàn)槠骷姆庋b可以變得更小。

PC擴(kuò)展卡DVR系統(tǒng)

　　過(guò)去十年來(lái)，PCI總線為PC提供了很好的服務(wù)。然而，當(dāng)今的PC擴(kuò)展卡DVR系統(tǒng)所要求的帶寬，已經(jīng)大大超出了PCI總線力所能及的程度。未經(jīng)壓縮的視頻數(shù)據(jù)(剝除空白幀之后)約為165Mbps。如此，在總體PCI帶寬為1Gbps的情況下，您在一條PCI總線上最多只能混用6個(gè)未經(jīng)壓縮的視頻采集或視頻重放設(shè)備。您可以在擴(kuò)展卡上使用MPEG4CODEC芯片組來(lái)縮小總線上的帶寬，但這會(huì)增加成本，并且使您受到現(xiàn)有MPEG4芯片組的限制。

　　PCIExpress(PCIe)技術(shù)使流量大幅度提升。PCIExpress分解為多個(gè)通道。每通道在每個(gè)方向上包含一個(gè)差分對(duì)，該方向每個(gè)差分對(duì)的數(shù)據(jù)流量為2Gbps。主板上的每個(gè)PCIe插槽都有自己的通道，這些通道不與其他任何插槽共享。各插槽的配置為16通道(亦稱x16)、8通道(x8)、4通道(x4)或1通道(x1)。PCIe允許每卡提供的數(shù)據(jù)量從x1通道的2Gbps到x16通道的32Gbps不等。有了PCIe數(shù)據(jù)流量，您就可以擺脫每張PCI卡6個(gè)未壓縮視頻通道的限制。

　　通過(guò)用PC替換數(shù)字媒體處理器并且經(jīng)PCIe總線將視頻流緩存到PC的方法，輕松快捷地實(shí)現(xiàn)PC擴(kuò)展卡DVR系統(tǒng)。視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生四條獨(dú)立的數(shù)字ITU-RBT656流，然后這些流被送入低成本的Spartan-3器件進(jìn)行預(yù)處理。在FPGA中，視頻數(shù)據(jù)剝除空白幀并同步，為PCIe適當(dāng)打包，然后饋入XilinxPCIe內(nèi)核。然后，軟件就可以讀取并播放輸入的視頻，對(duì)其進(jìn)行處理，或?qū)⑵鋬?chǔ)存到磁盤(pán)。

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