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視頻監控系統是火車站、機場、銀行、娛樂場所、購物中心甚至家庭保安的重要組件。隨著安全風險的增加，對視覺監視和記錄事件的需求以多種使用模式激增。因此，新架構必須為橫跨一整套日漸繁雜的視頻監控系統要求的成本效益方案提供可擴展性。 上市時間的壓力、新CODEC標準、日益廣泛的要求（包括先進的目標探測、運動探測、目標跟蹤和目標跟蹤特性），這些不過是新型視頻監控架構所面臨挑戰中的幾項。伴隨挑戰而來的是對可擴展為不同性能范圍的實現的需求。 視頻監控和DVR系統 數字監控系統中的數字視頻錄像機(DVR)正在迅速采用先進的數字視頻壓縮。大多數DVR制造商從MPEG-4向H.264高清晰度(HD)CODEC轉移，對更高分辨率和壓縮速度的需求也隨之增加。專用芯片(ASSP) 對大批量應用很有用，但缺少靈活性，開發成本高，而且開發時間較長；大多數高級數字媒體處理器則只能執行 H.264 HD 解碼（而 H.264 HD 編碼比解碼還要復雜得多）。滿足 H.264 HD 性能要求的最佳解決方案是使用一個 FPGA 加上一個外部 DSP 或數字媒體處理器。 使用低成本的 Xilinx FPGA，可以更進一步提供運動探測、視頻縮放、顏色空間轉換、硬盤接口和DDR2存儲器接口，還可以將兩個 27MHz ITU-R BT656 數據流時分多路傳輸到一個 54MHz 數據流中，同時為 DSP 處理器提供視頻加速。要將兩個 ITU-R BT656 數據流多路傳輸到一個 ITU-R BT656 數據流中，僅需要一個通道視頻端口來獨立地傳輸完整的二通道視頻數據。要為只有一個 ITU-R BT656 視頻輸入端口的數字媒體處理器提供接口，這種實現方法非常有用。圖 1 所示就是這樣一種建議架構的框圖。 對于使用德州儀器公司 DaVinci 處理器（僅有一個 ITU-R BT656 視頻輸入端口）的 DVR 設計，需要一種更有效的實現方法將兩個或更多 ITU-R BT656 數據流時分多路傳輸到一個 VLYNQ 數據流中，然后才能將其輸送到 DaVinci 處理器。使用上述實現方法，就能用少得多的 I/O 引腳傳輸視頻流，并且可以降低系統成本，因為器件的封裝可以變得更小。圖 2 所示為此設計的框圖。 PC 擴展卡 DVR 系統 過去十年，PCI 總線為 PC 提供了很好的服務。然而，當今的 PC 擴展卡 DVR 系統所要求的帶寬，已經大大超出了 PCI 總線力所能及的程度。未經壓縮的視頻數據（剝除空白幀之后）約為 165 Mbps。因此，在總體 PCI 帶寬為 1 Gbps 的情況下，在一條 PCI 總線上最多只能混用 6 個未經壓縮的視頻采集或視頻重放設備。如在擴展卡上使用 MPEG-4 CODEC 芯片組來縮小總線上的帶寬，但這會增加成本，并且會受到現有MPEG-4芯片組的限制。 PCI Express (PCIe) 技術使流量大幅度提升。PCI Express 分解為多個通道。每通道在每個方向上包含一個差分對，每個差分對的數據流量為 2 Gbps。主板上的每個 PCIe 插槽都有自己的通道，這些通道不與其它任何插槽共享。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 允許每卡提供的數據量從 x1 通道的 2 Gbps 到 x16 通道的 32 Gbps 不等。有了 PCIe 數據流量，就可以擺脫每張 PCI 卡 6 個未壓縮視頻通道的限制。 使用與圖 1 所示同樣的設計，可通過用 PC 替換數字媒體處理器并且經 PCIe 總線將視頻流緩存到 PC 的方法，輕松快捷地實現 PC 擴展卡 DVR 系統。視頻模數轉換器產生四條獨立的數字 ITU-R BT656 流，然后這些流被送入低成本的 Spartan-3 器件進行預處理。在 FPGA 中，視頻數據剝除空白幀并同步，為 PCIe 適當打包，饋入 Xilinx PCIe 內核。然后，軟件就可以讀取并播放輸入的視頻，對其進行處理，或將其儲存到磁盤。圖 3 所示為 PC 擴展卡視頻監控系統設計。 Xilinx 視頻和圖像處理算法 從多相視頻轉換器、二維 FIR 濾波器和屏幕顯示到覆蓋以及阿爾法混合等簡單效果，再到格式和顏色空間轉換，Xilinx FPGA 都是實時數字視頻、圖像處理和濾波的理想平臺。表 1 列出了一些常用視頻 IP 模塊組的應用指南。 Xilinx FPGA的 DSP 處理能力支持非常高的分辨率（畫質高達 1080p），并且可以縮小大型 DSP 陣列的尺寸。 現成的 IP Xilinx 提供了視頻 IP 模塊組，以供在視頻監控系統中快速設計、仿真、實現和驗證視頻和圖像處理算法。其中包括設計 DVR 用的基本基元和高級算法。 此外，Xilinx 及其合作伙伴提供了一系列壓縮編碼、解碼和編解碼解決方案，從為需要快速實現的人提供現成的內核，一直到為希望通過高質量和低比特率使自己的產品與眾不同的人提供構造模塊參考設計和硬件平臺。 將 Xilinx FPGA 用于某些編解碼模塊中的極其繁重的處理任務，可以支持多通道 HD 編碼，節約寶貴的系統處理器周期，通過減少或排除 DSP 處理器陣列大量節約成本，并輕松地將從接口到進一步視頻處理的更多功能和能力集成到系統中。最重要的是，FPGA 提供了可擴展的解決方案，從而能在相同的系統中支持不同的配置、額外的通道或新的編解碼方案。 Xilinx FPGA 可通過強化系統邏輯和實現新外設進一步降低 DVR 系統成本。Xilinx 及其合作伙伴還為視頻監控系統的快速發展提供系統接口：先進的存儲器接口、PCI Express、德州儀器的 VLYNQ 和 EMIF 接口、硬盤接口以及 ITU-R BT656 接口。 Xilinx 工具簡化設計 Xilinx System Generator for DSP 允許使用 Xilinx 視頻 IP 模塊組構建和調試 Simulink 中的高性能 DVR 系統。使用 System Generator 開發并實現視頻處理算法，可以獲得經過徹底驗證和可以輕松執行的設計。 Xilinx 已開發出各種經過預測試的新型視頻 IP 模塊組。通過在 System Generator 內拖放模塊輕松構建視頻/影像系統，從而省下用 HDL 語言編寫這些基本構建模塊的寶貴時間。 為了處理從開發板到 PC 的龐大的視頻數據流，System Generator for DSP 引入了另一種新穎的高速硬件協同仿真（通過以太網接口）。這種接口允許低延遲的高流量，事實證明它對于在 System Generator 環境中構建視頻/影像系統極其有用。 另一種基于 MATLAB 語言的設計工具是 Xilinx 開發的 AccelDSP 綜合工具，這是基于高級 MATLAB 語言的工具，用于 Xilinx FPGA 設計 DSP 模塊。此工具可實現浮點到定點的自動轉換，能生成可綜合的 VHDL 或 Verilog 語言，并且可以為驗證創建測試平臺。還可以用 MATLAB 算法生成定點 C++ 模型或 System Generator 模塊。AccelDSP 是 Xilinx XtremeDSP解決方案的一個關鍵組件，它集最先進的 FPGA、設計工具、知識產權內核、合作伙伴關系以及設計和教育服務于一體。 結論 在視頻監控系統中，視頻信號由多個攝像機生成。FPGA 從視頻解碼器接收 ITU-R BT656 格式的數字視頻，然后將經過處理的視頻輸出到監視器進行顯示，同時將其輸出到數字媒體處理器或 DSP 進行壓縮后存入硬盤。 利用 Xilinx FPGA可以使符合標準的系統有別于競爭對手的產品，同時還為應用獲得最佳平衡。利用 Xilinx 的視頻 IP 模塊組可以輕松構建具有高度靈活性和可擴展性的 DVR 系統，從而既滿足低端市場又滿足高端市場。通過將 PCIe 內核與視頻 IP 模塊組集成到一起，可以開發出低成本的 PC 擴展卡視頻監控系統。使用 Xilinx FPGA 中的 VLYNQ 內核，可以通過 Xilinx FPGA 將來自多部攝像機的眾多視頻流輕松地連接到 TI 的 DaVinci 處理器。 AccelChip 與 Xilinx System Generator 的集成將算法開發者青睞的基于 MATLAB 的算法綜合與系統工程師和硬件設計者使用的圖形設計流程結合起來。它使用豐富的 MATLAB 語言及其附帶的工具箱創建復雜 DSP 算法的 System Generator IP 模塊。通過合并使用這些工具，設計團隊可以為實現而利用硬件建模這一最有效的手段，從而讓算法開發者完全參與 FPGA 的設計過程，并且更快地完成更優質的設計。 |
