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FPGA器件在摄像机和显示器解决方案中日益重要

上网日期: 2011年07月11日 ?? 作者: Asher Hazanchuk ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:FPGA? 视频监控? 视频分析?

作者: Asher Hazanchuk

莱迪思半导体公司

摄像机显示器市场的几大重要发展趋势增加了视频系统的复杂性,并且也突显了可以使用FPGA来解决这种复杂性所带来的诸多挑战的优势。

这些趋势包括:

1 - 摄像机和显示器市场正处于一个从标清(SD)视频标准,如NTSC、PAL和VGA,转换到高清(HD))视频标准,如HD720、HD1080、QXGA和QSXGA的过程中。转换到新的HD标准将低端视频应用所需要处理的像素数提高了3倍,以及高达15倍或更高的——高端摄像机和显示器的分辨率。

2- 同样,帧速率从典型标清视频的25或30帧每秒(fps),提高到高清视频的50或60fps。高清视频应用还需要120或240fps来捕捉快速移动的对象,并且不影响视频质量。

3 - 某些应用,如医疗成像、机器视觉、汽车和高质量的视频监控,需要高动态范围(HDR)像素的分辨率。HDR需要每个像素的分辨率从通常的8位提高到20位。

4 - 现在多摄像头系统在许多应用中都是非常常见的,有的还需要多传感器摄像头。多传感器摄像头用于视频监控和汽车应用,支持180度或360度广角摄像头应用。

5 - 由于需要在视频监控应用中分析的视频数据量巨大,或者某些汽车应用中需要快速响应,所以要求有自动视频分析功能。视频分析降低了视频监控应用的运作成本,并且在一些汽车应用中可以拯救生命。

6 - 需要传输和存储大量多摄像头、高分辨率的视频信息,要求使用低比特率、实时的视频压缩算法来实现。

这六大市场趋势对以下重要的视频系统参数有重大的、综合叠加的影响:

* 视频系统处理能力的要求

* 视频接口的兼容性

* 所需的存储器接入带宽

* 功能灵活性的要求

视频系统处理能力的要求

要求提高视频系统处理能力的一个主要原因是视频帧分辨率的增加。图1显示了不同视频标准的分辨率。

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图1:视频标准解决方案。

图1显示了从标清NTSC(720*480 =0.35MP)、PAL(768* 576=0.44MP)和VGA(640*480 =0.31MP)到新的高清HD720(1280*720 =0.92MP)、HD1080(1920*1080 =2.07MP),最高达QSXGA(2560* 2048=5.24MP)的帧分辨率的巨大跳变。每帧像素增加了15倍以上。有些摄像头的帧速率由30或25fps提高到60或50fps,以提供更好的高速视频捕捉支持。

高分辨率摄像头让许多新的应用可以充分利用帧分辨率提高的优势。例如,更高的分辨率可以从更远的距离进行人脸识别。安装在赌场的高分辨率摄像头有助于防止欺诈行为。在商店和银行柜台安装的高分辨率摄像头可以识别不同面值的钞票。在道路上设置的摄像头可以读取车牌号码。这些只是一小部分利用了新的视频标准支持的较高的视频分辨率的新应用示例。如图2摄像头和显示器流水线框图所示,功能的复杂性大大增加。新的视频分析块已添加到系统以支持新的功能。

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图2:摄像头和显示器流水线。

即使是基本的模块,如2D FIR滤波器、边缘检测、DeBayer5*5(HQ)和2D定标器需要使用更复杂的算法,消耗更大的处理能力,以防止视频质量下降。由于更高的帧分辨率,视频系统的处理能力可能要提高多达15倍,帧速率的提高还需要提高多达2倍的处理能力,并且更高的功能复杂性还需要增加2倍的处理能力。所有这些的累积效应可能最终造成需要增加60倍的处理能力。例如,30fps的NTSC视频需要的处理能力为0.35MP * 30fps * 3色 = 31.5百万像素 * 每个像素所需的操作数。

粗略估计,每个像素所需的操作数为8个3*3 操作和2个5*5操作,使用对称优化来将每个像素的操作数降低到50左右。对于更一般的情况,每个像素所需的操作数量估计会在每像素10至100个操作。因此,低端视频应用需要31.5M * 10 = 315MHz的处理能力,而高端视频应用需要315M *100 = 3.15GHz。DSP处理器仅能处理低端视频应用。高端视频应用需要并行处理能力,只有ASIC或FPGA如LatticeECP3可以实现。

60fps QSXGA和具有增强的高分辨率功能的高清视频示例,需要60倍以上的之前所说的NTSC处理能力。因此,在这个高清视频示例中,将需要60 * 315MHz = 18.9GHz到60 * 3.15GHz = 189GHz的处理能力。

结论是,虽然DSP处理器的处理能力对低端标清视频应用来说已经足够,但是高清视频标准使得大部分应用对于处理能力的要求超出了DSP处理器的处理能力。因此,对于大部分高清视频应用的处理能力要求,还需要一个FPGA或ASSP的支持。


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