利用FPGA协处理惩罚器优化高性能数字摄像监控体系

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    数字摄像监督体系如今具有更多的本领，是传统模仿体系强有力的更换方案。除了提供先辈的压缩技能，如MPEG-4和H.264，数字摄像监督体系如今配备了如图像稳固，全景摄像和视频活动检测等算法。本文将讨论这些新技能的好处，和它们在用数字信号处理惩罚器（DSP）和FPGA');return false;" href="javascript:;">FPGA协处理惩罚器平台上的优化实现。它将细致地叙述当代监督体系的需求，这些体系中常用的算法和加快体系计划的开辟平台。

    商用摄像监督体系的一样平常需求是支持一至八个摄像机，先辈的视频压缩如MPEG-4，Windows Media 9 H.264，低耽误编码（1-3帧）和差别帧速率下的同步查察和记录。编码辨别率从CIF（大概是VCR辨别率）到D1（大概是DVD辨别率）。视频速率从每秒2帧（家用寂静）到赌场和别的高级体系中高达每秒30帧。

    加强摄像监督的质量
    在牢固带宽环境下，可以采取差别的方法包括先辈的CODEC、定义兴趣地区，图像稳固和全景拍照来改造视频质量。

    最常用的先辈视频压缩技能是MPEG-4。然而，计划者正在检测H.264的基天性能，经比较它可以将视频质量进步33%（图1），大大地加强摄像监督体系的检测本领。

    因此，视频质量和检测本领可以通过监督环境定义更感兴趣地区来加强。在不感兴趣的地区即天空、天花板和风中摇荡的树冠等，体系可以或许增长视频压缩等级，从而减小那些地区的视频带宽和处理惩罚负荷，由于这些地方出现寂静弊端的伤害性是很低的。反之，这让体系更存眷感兴趣的地区，如外门、窗户、高寂静地区的内部和会有或已有移动的地区。本质上，通过定义兴趣地区和存眷更体贴的那些地区，体系可以或许减小虚警数量，同时增长检测到真正寂静弊端的大概性。

    摄像机移动和/或摄像机抖动也会低落摄像监督的质量。固然，摄像机移动对确保包围整个监督地区是必须的，而抖动大概是有环境因素如风或过往车辆导致的。然而，这两种因素会低落压缩质量，大概会到导致丢帧，因此低落摄像监督体系的质量。在最糟糕的环境下，这些因素会导致体系处理惩罚超负荷。数字摄像监督体系稳固技能如今可以或许用来办理摄像机的物理抖动。在这方面如今有几种算法范例，但是都依照同样的原则。图像的某些部分和过去的图像比较。图像偏移差别的矢量，用搜刮来探求图像间相干性最大的点。然后把偏移矢量应用在整个图像上，边沿上举行一些剪裁，但是大部分的图像仍旧是稳固的。

    FPGA可以作为搜刮和相干的评估。30fps D1辨别率单通道的一样平常需求是约莫3,000-5,000个FPGA逻辑单位——等效于大容量器件如Altera Stratix II FPGA约莫4-7%的逻辑面积。

    提供全景图的那边也是集成了旋转摄像机的摄像监督体系的一个关键特性。这个特性使得包围特定场合所需的摄像机数量最少，让寂静部分监督体系很快地查察更大的地区或存眷已经查抄到潜伏寂静题目的特定地区。当全景算法连合选择摄像机（PTZF），体系可以或许跟踪视频图像的移动。不是将图像移回中间，而是图像放大为更大辨别率的图像。新的图像“缝在”老图像上，包围部分被更新。用于图像稳固的同样的FPGA机制用于全景拍照，具有增长最小谋略量的缝合。

    视频移动检测在室内和室外，无论白入夜夜都很有效，可以或许大大地加强摄像监督体系的本领。这个特性利用跟踪算法，吸取来自监督摄像机的噪声检测，提取出由图像噪声、如风等环境因素导致摄像机移动和由云或移动的树枝导致的错误图像等引起的不紧张的移动。它简化了跟踪入侵者的算法，可以和传统的移动检测相连合，让错误辨认降至最低。移动检测算法从用几百个逻辑单位实现的非常大略的高通或边沿检测滤波器到可以或许降服雨、风滋扰及人、小动物和车辆等的差别的非常巨大的算法。先辈的算法一样平常采取移动跟踪，和MPEG压缩中的运行预计模块雷同。图像差别部分的移动在时间上举行跟踪，要是移动表现始终如一，检测和跟踪到一个入侵者。这容许体系马虎雨、尘土和灯光的变革。实现先辈的移动检测算法必要只必要1,000-3,000 FPGA逻辑单位。

    视频存档
    在最当代的摄像监督体系中视频存档是必须的成果，它让寂静部分生存大概的侵入和维护，用于辨认入侵者的视频。它大概在创建图像的本地完成，大概在更寂静的长途地点完成。IP摄像机或视频办事器把全部的压缩视频发送给背景部分，在那边中间记录单位网络全部的视频流并举行归档。这种配置不必要昂贵的终端单位，容易举行视频办理，但是必要非常可靠的具有高带宽的网络，一次支持全部摄像机的发送。另一种配置利用本地硬盘记录，让背景部分一次只能查察一台摄像机，或访问任意单位的恣意存档视频。 

    实现
    DSP处理惩罚器和FPGA协处理惩罚器的组合具有数字摄像监督体系所需的非常高的性能和高度机动的信号处理惩罚本领。DSP处理惩罚器上风包括高时钟速率（高度1GHz），基于C/C++的开辟，内建的存储器办理和内建的I/O接口。同时，DSP处理惩罚器有有限数量的指令/时钟和乘法器，以及牢固的字长和I/O接口。别的，大部分DSP容许非常有限的处理惩罚器间通讯，采取低速总线如PCI和别的DSP相连。

    另一方面，FPGA包括大量的指令/周期，比DSP多一至两个数量级的乘法器和机动的字长。比方，Stratix II FPGA每个器件有多达384个18×18乘法器/累加器，每个可以或许运行在370MHz，及将近180K个标准逻辑单位。FPGA也容许访问先辈的存储器件如DDR，DDR II，RLDRAM和QDR。先辈FPGA的别的好处是可以或许通过高速LVDS和数千兆SERDES总线和别的FPGA或别的器件相连，如DSP。它们的驱动包括更长的开辟时间，更大的器件功率（只管不是根据谋略量）和1/3 DSP峰值处理惩罚速率的时钟速率。

    这两类器件显然大概相互补充。固然DSP可以或许快速地开辟新的和巨大的算法，但是它们一次只能完成两至四个谋略。另一方面，FPGA可以或许一次对整个矢量乃至矩阵举行算术操纵。并且，FPGA在连接多个处理惩罚点上非常出众，在DSP间分派数据，把网络并把分支谋略组合成单个输出流。

    尤其在摄像监督应用中，FPGA可以用来预处理惩罚视频、完成视频稳固、滤波和移动检测。然后将稳固的视频及移动检测信息送给DSP举行视频压缩和协议栈处理惩罚。

    论
    摄像监督只是一些视频视频体系的一种，它们日益必要非常高的信号处理惩罚和存储带宽以及多处理惩罚单位间通讯的本领，以完成所需辨别率和及时视频寓目请求。别的应用包括医疗视频、光学检测、视频广播、科学谋略和军事应用。计划这些体系的工程师将不绝地利用DSP处理惩罚器和高性能FPGA的组合来实现所需的视频视频质量，这是完全大概的。