走向成熟的智能數(shù)字視頻監(jiān)控

　　隨著CMOS視頻傳感器技術(shù)的成熟和推廣，數(shù)字一體化攝像機(jī)將融合更多的影像處理技術(shù)，其中包括自動曝光(AE)、自動白平衡(AWB)和自動聚焦(AF)技術(shù)將有可能被掌握。隨著繼承有視頻前端的單片系統(tǒng)(SoC)的推出，不僅支持上述的3A功能，還有可以支持3D噪聲濾波、人臉檢測、LDC鏡頭校正和WDR寬動態(tài)等功能。與CCD圖像傳感器相比，由于CMOS圖像傳感器具備同等甚至更好的成像性能、更低的成本、更高的集成度、更低的功耗以及更高的速度，因此在網(wǎng)絡(luò)攝像頭領(lǐng)域的應(yīng)用也日益增多。高速HD視頻攝像頭轉(zhuǎn)向CMOS圖像傳感器的原因之一是CMOS器件固有低功耗的特性。功耗較低的CMOS圖像傳感器還結(jié)合了數(shù)項(xiàng)節(jié)能功能，如門控時(shí)鐘(gated clock)設(shè)計(jì)、可變幀率，以及低待機(jī)電流，這些功能均可通過CMOS工藝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

　　萊迪斯半導(dǎo)體的Douglas Hunter認(rèn)為，視頻監(jiān)控需要圖像傳感器有更多的像素以得到更好的場景定義，更好的微光性能，并能夠?yàn)镠DR功能提供足夠的數(shù)據(jù)。關(guān)于市場趨勢，圖像傳感器將繼續(xù)從CCD轉(zhuǎn)變到CMOS技術(shù)。更高的兆像素傳感器將變得司空見慣。為了增強(qiáng)微光性能，更大格式的傳感器可能更為常見。像那些萊迪思伙伴的傳感器制造商將對傳感器從提供并行接口轉(zhuǎn)向串行接口，以便每秒從圖像傳感器送出更多的像素?cái)?shù)據(jù)。

　　一個新興的發(fā)展趨勢是加入寬動態(tài)范圍 (Wide Dynamic Range, WDR) 功能，借助WDR功能，視頻監(jiān)控攝像頭的放置就不再受到限制，幾乎可以放置在任何環(huán)境中，包括嚴(yán)苛的高對比度光照環(huán)境。Aptina用于監(jiān)控市場的最新HD和全HD圖像傳感器解決方案都加入了統(tǒng)計(jì)引擎、3D立體攝像頭支持、感興趣區(qū)域 (region of interest) 和WDR功能，將更多的計(jì)算工作量從視頻分析引擎中卸載，讓攝像頭的算法可以提供更高的準(zhǔn)確度和智能化水平更高的功能性。

　　媒體處理器百花齊放

　　回顧數(shù)字視頻監(jiān)控的發(fā)展歷程，數(shù)字音視壓縮技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了壓縮標(biāo)準(zhǔn)的制定，于是在高速數(shù)字信號處理器(DSP)上得以實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。DSP得天獨(dú)厚的高性能和低功耗的軟件可編程的特性使之成為嵌入式數(shù)字音視頻壓縮的理想處理平臺，而在高速通用DSP芯片上集成多個視頻接口以及豐富的外圍接口，就成為數(shù)字媒體處理器。數(shù)字視頻監(jiān)控產(chǎn)品的推陳出新得益于核心處理平臺的升級換代，其中數(shù)字媒體處理器發(fā)揮了重要的作用。單片的通用DSP可以很好地實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)字壓縮或智能視頻數(shù)字分析處理工作，但還需要在外圍接視頻接口和前端或后端處理設(shè)備，因此系統(tǒng)比較復(fù)雜。

　　TI推出的第一顆數(shù)字媒體SoC對于數(shù)字視頻監(jiān)控行業(yè)的影響極其深遠(yuǎn)，從而開創(chuàng)了以創(chuàng)新大師達(dá)芬奇冠名一個系列媒體處理平臺。如圖2為數(shù)字視頻SoC集成結(jié)構(gòu)，其中包含有ARM和DSP核心系統(tǒng)，還有視頻協(xié)處理器(VICP)，以及視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)。

　　隨著監(jiān)控行業(yè)對高清需求的增加，DSP一統(tǒng)天下的格局在變化。賽靈思公司亞太區(qū)市場及應(yīng)用總監(jiān)張宇清介紹，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控由于對運(yùn)算的要求不高，只需要DSP芯片即可。隨著智能分析和高清視頻監(jiān)控成為主流，FPGA的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。

　　智能分析的關(guān)鍵在于算法，需要大量的矩陣運(yùn)算以及乘法器。通常有兩種方式來實(shí)現(xiàn)智能分析。一是，DSP+FPGA，FPGA作為協(xié)處理器，來彌補(bǔ)DSP在運(yùn)算方面的不足。然而，雖然DSP在信號處理、監(jiān)控方面具有優(yōu)勢，但其通過執(zhí)行串行指令進(jìn)行處理運(yùn)算、智能分析，一個時(shí)鐘只能執(zhí)行一個指令。而FPGA是并行指令架構(gòu)，可以在一個時(shí)鐘內(nèi)執(zhí)行幾百個指令。以運(yùn)算速度來看，即使DSP的運(yùn)算達(dá)到1G以上，F(xiàn)PGA的速度700M，但顯然，F(xiàn)PGA的并行處理仍然要遠(yuǎn)高于DSP的串行處理。同時(shí)，F(xiàn)PGA帶有硬件乘法器和DSP核，具有高度靈活的擴(kuò)展性，目前很多高端視頻監(jiān)控設(shè)備已采用這一架構(gòu)。二是，在DSP中嵌入硬核，用硬核做硬件加速器，但其彈性小，沒有擴(kuò)展性，導(dǎo)致產(chǎn)品差異化低。

　　FPGA可以在復(fù)雜的像素處理方面替代DSP，如高性能視頻分析，各種圖像傳感器寬動態(tài)范圍壓縮，以及高精度圖像處理。對于高清視頻監(jiān)控來說，F(xiàn)PGA的作用更是不可小覷。高清監(jiān)控，數(shù)據(jù)流量非常大，需要更高的處理能力，并且還要提供自動曝光、高效的自動白平衡和高動態(tài)范圍等功能，傳統(tǒng)DSP已經(jīng)難以應(yīng)付，需要FPGA共同完成。

　　對FPGA在視頻監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用非?？春玫倪€有萊迪斯半導(dǎo)體。Douglas Hunter認(rèn)為一個顯而易見的方法是從順序處理轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿刑幚?。例如，F(xiàn)PGA是并行處理器件，可以在每個時(shí)鐘周期比傳統(tǒng)DSP處理更多的數(shù)據(jù)。由于在每個時(shí)鐘周期能夠處理更多的數(shù)據(jù)，比如LatticeECP3系列FPGA可以使用較低的時(shí)鐘速度，因此消耗的功耗更少，而順序處理的器件需要更快的時(shí)鐘速度，因此消耗大量的功率。