基于FPGA器件和互联网协议实现视频监控系统的设计

目前，视频监视行业使用模拟CCTV摄像机和接口作为监视系统的基础设施。这些系统组成不容易扩展，视频分辨率低，信号处理功能较弱，甚至不进行信号处理。然而，下一代视频监视系统将逐渐采用新的数字LAN摄像机、复杂的图像处理和IP承载视频等技术来替代这些系统组成，它们不仅是简单的监视摄像机系统，同时还是视频通信系统。

新的监视系统基于互联网协议（IP），具有更大的可伸缩性和灵活性以及计算机安全性。可以采用各种编码和解码标准来传送视频流（MPEG4 CODEC是目前使用的标准）。除了CODEC功能以外，图像预处理和后处理提高了实时图像质量，降低了延时。设计人员使用带有嵌入式DSP模块、存储器和接口的可编程逻辑，能够满足新系统的要求。

数字视频摄录机体系结构

在数字视频摄录机（DVR）系统中，多台模拟CCTV摄像机与中央视频交换机相连，实现存储、缩放、图像处理和显示等功能。由于压缩比较复杂，成本高，视频分辨率和质量比较低。移动探测等特殊处理功能占用了中央交换机大量的存储资源。因此，这种体系结构灵活性不够，扩展性不好，视频监视的质量和监视范围有限。

一个典型的DVR系统（图1所示）采用了内部或者外部视频矩阵来连接摄像机和监视器。这类系统需要多路输出和输入复用，适合采用可编程逻辑提高系统的灵活性和扩展性。

表1列出了Altera FPGA系列在DVR功能（表2）中的应用情况。

网络视频摄录机体系结构

网络视频摄录机（NVR）系统灵活性更大，可以同时使用传统的模拟CCTV摄像机和新的数字LAN摄像机。LAN摄像机向中央文件服务器发送JPEG（低分辨率）或者MPEG4（高分辨率）压缩的视频流，进行存储。存储容量取决于视频分辨率（象素）、压缩类型、帧速率以及连续/间隔记录等。本地视频服务器将模拟视频转换为数字格式，在LAN上传送。所有这些网络视频数据都被传送到存储区域网络（SAN），进行记录。图2是NVR设置的例子。

视频压缩和图像处理

视频数据压缩有很多不同的标准。所采用的压缩标准对硬件系统要求有影响，包括存储器、数据速率和存储容量等。最流行的压缩技术包括JPEG、H.263、Motion JPEG， MPEG和Wavelet。而H.26？的压缩效率较高，下一代监视系统很可能采用这种标准。在带宽受限的网络中传送高质量视频信号时，效率扮演了重要角色。例如，6？0 x 480象素30fps的彩色传输需要26Mbytes/s的数据速率。必须降低（压缩）速率，使其能够在双绞线或者铜缆中传输。

有两种类型的视频压缩速率：固定比特率（CBR）和可变比特率（VBR）。对于带宽有限的实时通信信道，CBR限制了数据速率，当图像中出现高质量的移动细节时，会降低图像质量，导致显示图像中出现图像块。VBR根据是否出现图像移动来调整速率，这对于视频监视系统存储非常有用。支持VBR的H.26？压缩在安全视频存储方面效率最高。

此外，在压缩方法上，其他视频图像处理技术提高了视频流预处理和后处理的视频质量。由于分辨率的提高，以及压缩技术的进展，对高性能的需求在不断增长，同时还要保持体系结构的灵活性，方便进行快速更新。随着技术的成熟和产量的提高，降低成本将成为人们关注的焦点。图3是使用FPGA和ASSP的典型视频监视系统设置。

系统体系结构选择包括标准单元ASIC、ASSP，以及数字信号处理（DSP）或者介质处理器和FPGA等可编程解决方案。这些方案各具优缺点，最终选择取决于最终设备要求和方案的可行性。考虑到上面介绍的发展趋势，理想的监视体系结构应具有以下特征：高性能、灵活性、易于更新、低开发成本，随着应用的成熟和产量的提高，能够通过移植降低成本。

高性能

性能不仅体现在压缩上，还体现在预处理和后处理功能上。事实上，在很多情况下，这些功能要比压缩算法本身对性能的影响更大。这类功能的例子包括缩放、去隔行、滤波和色彩空间转换等。

对于视频监视，对高性能的要求排除了单处理器体系结构，因为一个器件无法满足性能要求。目前最好的1GHz DSP无法进行H.26？ HD解码，而H.26？ HD编码要比解码复杂10倍。FPGA是唯一能够解决这一矛盾的可编程方案。在某些情况下，最好的解决方案是结合FPGA和外部DSP处理器。

灵活性支持了产品方便面市，方便了产品更新

当技术快速发展时，体系结构必须足够灵活，能够方便的进行更新。在这些应用中无法使用标准单元ASIC和ASSP。ASSP一般针对大批量消费类市场，产品容易过时，对大部分应用而言，选择ASSP的风险较大。

低开发成本

考虑到掩模、芯片、软件、设计验证和布板等成本，开发一个典型90nm标准单元ASIC的成本会高达3千万美金。只有产量非常大的消费类市场能够解决如此昂贵的开发成本。

低成本AUP移植途径

随着标准的稳定和产量的提高，应该具备低成本移植途径。这通常意味着市场关注的ASSP或者标准单元定制ASIC器件。然而，定制芯片成本不断攀升，只有在大批量消费类应用中采用这些方案才具有一定的经济性。大部分视频和图像芯片公司的主要业务包括视频摄录机、机顶盒、数字照相机、蜂窝电话等便携式产品，以及LCD TV和监视器等。因此，如果设计的产品批量不大，那么最好考虑FPGA，它不像ASSP那样只针对特定的功能，由于产品很有可能过时，即使当时最好的解决方案也可能是风险很高的选择。

Altera视频和图像处理解决方案

考虑到上面阐述的问题，FPGA非常适合应用于视频和图像处理领域。Altera FPGA具有以下特点，是视频和图像处理体系结构最好的选择：

高性能：HD处理可以在一片Altera FPGA中实现。

灵活性：Altera FPGA能够迅速更新体系结构，满足不断发展的需求，同时其可伸缩性使得FPGA能够应用于低成本高性能系统中。

低开发成本：Altera的视频开发套件起价只有1，095美金，包括使用Altera FPGA开发视频系统所需要的软件工具。

不会过时：Altera FPGA拥有广泛的客户基础，多年以来，他们不断采购新产品。Altera还一直在发售199x［SLA1］引入的FPGA。同样的，FPGA设计可以很容易的从一个工艺节点移植到新节点。

低成本结构化ASIC移植途径：Altera结构化ASIC 1百万ASIC逻辑门100ku起价为15美金。

Altera的视频和图像处理解决方案包括经过优化的DSP设计流程、Altera视频和图像处理套件，接口和第三方视频压缩IP以及视频参考设计等。

FPGA/结构化ASIC实现类似ASSP的功能

随着解决方案的增多，Altera及其合作伙伴以FPGA或者结构化ASIC的形式提供ASSP功能。例如ATEME的H.26？普通质量标准清晰度编码器产品。采用这一产品后，客户可以象ASSP那样使用FPGA，其优于传统ASSP之处在于FPGA方案发展迅速，没有过时的风险。

DSP设计流程

对于定制开发，Altera提供最佳的DSP设计流程，可以采用不同的方法进行设计，包括VHDL/Verilog、基于模型的设计和基于C语言的设计。Altera的视频和图像处理套件能够应用于这些设计流程中。Altera和The MathWorks合作开发了全面的DSP开发流程，使设计人员能够充分利用Altera？ FPGA的价格/性能优势以及Simulink、The MathWorks基于模型的设计工具等。Altera的DSP Builder是一种DSP开发工具，它结合了Simulink和Altera业界领先的Quartus？ II开发软件。DSP Builder提供无缝设计流程，设计人员在MATLAB软件中进行算法开发，在Simulink软件中进行系统级设计，然后将设计导入至硬件描述语言（HDL）文件，供Quartus II软件使用。DSP Builder工具和SOPC Builder工具紧密集成，使用户能够结合Simulink设计和Altera嵌入式处理器以及知识产权内核来构建系统。对于那些在可编程逻辑设计软件上经验还不够的设计人员而言，这种开发流程简单易用，非常直观。视频和图像处理套件

视频和图像处理套件含有9个功能模块，其参数在某些情况下可以动态调整。表2总结了这些功能。

2D滤波器GUI示于下图中，这是一个采用视频和图像处理套件提供的内核来实现用户配置的实例。

分辨率、采样比特、FIR滤波器、边沿、溢出以及累加器长度等都是2D滤波器内核支持的静态参数。

视频压缩许多第三方针对Altera FPGA和结构化ASIC提供了视频压缩方案。表3列出了部分常见视频压缩标准和相关的第三方。

IP承载视频

Altera为IP承载视频提供参考设计。该设计将视频传送流（TS）数据通过IP网络传输，在100Mbps或者1Gbps以太网上桥接多个压缩视频流和IP数据包。参考设计接收TS数据，对其进行包封，在以太网上传输，也可以接收来自以太网的帧，生成TS数据。

以太网TS数据包封使用IP和用户数据报协议（UDP）。也可以采用实时传送协议（RTP）。专用硬件处理包封，实现参考设计的最大吞吐量和最小延时。能够在以太网线路速率上处理、传送和接收帧，支持千兆以太网链路900Mbps以上的集中TS带宽。对于复用TS接口，参考设计将每个接口分别映射到专用UDP/IP插件（结合IP地址和UDP端口）。也可以采用其他的包封参数来分别配置每个TS。参考设计支持IP多播，含有一个Nios II处理器。Nios II处理器中运行的软件对参考设计进行设置，处理所有的以太网管理业务。

结论

Altera的FPGA与功能丰富的Altera视频图像库、Altera IP承载视频参考设计，以及合作伙伴的压缩方案相结合，为视频系统设计人员设计高性能、低成本系统提供了关键构建模块，帮助他们达到时间和市场需求。