Из-за необходимости безопасного городского строительства, развитие видеонаблюдения получило дальнейшее развитие, и, таким образом, также было продвинуто применение FPGA в этой области.
Особенно сейчас, когда требования к многоканальности, высокой четкости, сети, высокоскоростному коммуникационному интерфейсу и интеллекту способствовали дальнейшему развитию области Контроллеры видеостен на базе FPGA.
Напротив, развитие и обновление технологии микросхем FPGA, IP-ядра и эталонного дизайна способствовали развитию видеонаблюдения.
Сейчас сложно удовлетворить потребности высокопроизводительных систем, просто используя процессоры DSP или стандартные микросхемы (ASSP).
Однако из-за высокой степени интеграции и гибкости современных программируемых устройств, а также низкого энергопотребления и широкого рабочего диапазона их цены продолжают падать. Таким образом, используются уникальные высокие характеристики и гибкость программируемых логических вентильных матриц (FPGA). , Так что он может построить много продуктов для видеонаблюдения.
1. Что делает ПЛИС замечательными?
FPGA программируются, как графические процессоры или процессоры, но нацелены на параллельные задачи с низкой задержкой и высокой пропускной способностью, такие как логический вывод и глубокие нейронные сети.
ПЛИС обладают рядом преимуществ, наиболее заметным из которых является скорость.
Хотя FPGA работают на более низкой тактовой частоте по сравнению с современными процессорами, они, по сути, являются параллельными, а не запускают потоки последовательных инструкций, с оптимальным потоком данных между этими параллельными операциями, что приводит к резкому чистому увеличению производительности.
Приложения могут работать до 100 раз быстрее, чем тот же код, работающий на традиционных процессорах.
ПЛИС содержат миллионы перепрограммируемых логических блоков, которые можно использовать для одновременного выполнения множества действий, обеспечивая преимущества параллелизма и параллелизма.
При написании кода инженеры могут воспользоваться преимуществами этой параллельной архитектуры, разбив проблемы на хорошо структурированные, автономные процессы, которые могут выполняться одновременно.
Например, когда изображение обрабатывается не одновременно, один рабочий процесс будет обрабатывать все изображение пиксель за пикселем. Но когда одно и то же изображение обрабатывается одновременно, оно разбивается на части, которые обрабатываются одновременно разными исполнителями, а затем снова собираются вместе.
Это делает процесс более сложным, но намного более быстрым - входящие данные должны быть оптимальным образом разделены, эффективно распределены между рабочими, а затем обработанные данные собираются и повторно собираются, в идеале без блокировки конвейера работы.
В обычном процессоре это включает в себя извлечение и извлечение данных из памяти, а также использование дорогостоящих протоколов для процессов, чтобы согласовать текущее состояние памяти. Даже самые большие процессоры Intel имеют всего 18
ядра. Для сравнения, в FPGA поток данных может быть спроектирован так, чтобы он никогда не покидал микросхему.
Могут выполняться десятки тысяч одновременных процессов, а время обработки оптимизировано таким образом, чтобы пропускная способность
всегда максимально.
2. Применение ПЛИС в интеллектуальном видеонаблюдении.
В настоящее время разрешение IP-камер постепенно изменяется от стандартного D1 до высокого разрешения (1920 × 1080), и необходимо выполнять локальное сжатие в реальном времени, поэтому можно использовать только жесткое сжатие. Если используется несколько процессоров DSP, стоимость системы, интеграция и энергопотребление увеличиваются, что неприемлемо для пользователей; если используется одночиповое дешевое устройство FPGA, производительность не может соответствовать проектным требованиям.
Однако, если используется однокристальное высокопроизводительное устройство FPGA серии Stratix, это требование может быть выполнено. Поскольку это устройство имеет соответствующее структурированное устройство серии ASIC-Hard-Copy, оно может дополнительно снизить стоимость до 1/10 и снизить энергопотребление на 50%. Таким образом, данное устройство FPGA можно использовать как одноканальную IP-камеру высокого разрешения.
Чтобы контролировать многоканальное изображение локально, обычно необходимо мультиплексировать многоканальные видеоданные, а также разделять и масштабировать изображение. Следовательно, данные стандартного формата CCIR656 должны быть отправлены в часть разделения масштабирования мультиплексирования видео для обработки.
Обильные ресурсы памяти в устройствах FPGA больше подходят для использования в качестве линейного буфера, необходимого для алгоритма мультиплексирования и масштабирования видео, поэтому эта часть может быстро реализовать функции мультиплексирования, масштабирования и сегментации экрана.
Затем он отправляется в часть многоканального кодирования H.264 D1 + CIF, и мощные возможности параллельной обработки, присущие FPGA, могут удовлетворить требования к скорости обработки алгоритма H.264. По сравнению с несколькими схемами реализации процессоров ASSP или DSP, однокристальная FPGA обеспечивает более стабильную производительность системы, меньшую стоимость и лучшее соотношение цена / производительность.
3. Используйте FPGA для реализации функции обработки видео DSP в реальном времени.
По сравнению с решениями ASSP и наборами микросхем, FPGA могут обеспечивать различные уровни гибкости в соответствии с реальными потребностями инженеров-проектировщиков и поддерживать значительно лучшую производительность, чем традиционные DSP.
Обработка видео в реальном времени требует чрезвычайно высокой производительности системы, поэтому почти все DSP общего назначения с простейшими функциями не имеют этой функции.
Программируемое логическое устройство позволяет разработчикам использовать технологию параллельной обработки для реализации алгоритмов обработки видеосигнала, и только одно устройство может достичь желаемой производительности.
Решения на основе DSP обычно должны встраивать множество DSP на одной плате, чтобы получить необходимые возможности обработки, что, несомненно, увеличит накладные расходы на программные ресурсы и ресурсы памяти данных.
Поскольку чрезвычайно сложно отправлять видеоданные с высокой пропускной способностью и поддерживать соответствующее качество обслуживания (QoS) на чрезвычайно узких каналах передачи (таких как беспроводные каналы), разработчики стремятся улучшить исправление ошибок, сжатие и обработку изображений на основе реализации FPGA. . технология.
Ядром алгоритма MPEG-4 является операция, называемая дискретным косинусным преобразованием (DCT). Часть DCT стандартизирована и может быть эффективно реализована в FPGA. Многие специализированные декодеры MPEG также используют эти части (например, модули оценки движения). ПЛИС.
Поскольку ПЛИС можно перенастроить, устройство можно легко обновить, а новые алгоритмы можно интегрировать на этапе разработки (в том числе после настройки).
Другой важной частью видеосистемы является преобразование цветового пространства. Архитектура системы FPGA позволяет настраивать алгоритм работы прикладной системы для достижения максимальной производительности и эффективности.
ПЛИС может предоставить наиболее практичные и ценные высокоэффективные и высокоэффективные продукты за счет индивидуальных настроек. Разработчики могут найти компромисс между областью применения и скоростью, чтобы реализовать указанную функцию с гораздо более низкой скоростью, чем тактовая частота DSP.
Например, в приложении медианного фильтра процессору DSP требуется 67 тактовых циклов для выполнения алгоритма, в то время как FPGA должна работать только на частоте 25 МГц, потому что FPGA может реализовать эту функцию параллельно.
Но DSP, который реализует вышеупомянутую функцию, должен работать при частоте 1.5 ГГц, можно увидеть, что в этом конкретном приложении вычислительная мощность решения FPGA может достигать 17 раз по сравнению с процессором DSP 100 МГц.
Многие функции обработки изображений и видео в реальном времени подходят для реализации с устройствами FPGA, в том числе: поворот изображения, масштабирование изображения, цветокоррекция и коррекция цветности, улучшение теней, обнаружение краев, функция гистограммы, повышение резкости, медианный фильтр, анализ спеклов и т. Д. функции предназначены для конкретных приложений и систем и построены на основе базовой архитектуры (например, фильтры 2D-КИХ).
4. Используйте FPGA для создания контроллеров изображений и видеостен для встраиваемых систем.
Использование устройств FPGA для создания контроллеров видео и изображений заставляет технологию отображения изображений входить во все больше и больше встроенных приложений. Благодаря идеальному сочетанию производительности и гибкости приложения FPGA в области DSP становятся все более и более распространенными.
iSEMC выпустила новую серию контроллеров видеостен с программируемыми вентильными матрицами с низким энергопотреблением (FPGA), что еще больше расширило свои ресурсы для широкого спектра маломощных программируемых решений для проектов с ограниченным энергопотреблением.
Новые устройства FPGA обеспечивают наилучшее энергопотребление, площадь, логику и функциональные отношения на ввод / вывод в устройствах с программируемой логикой. Это делает его идеальным выбором для портативных электронных устройств в бытовой электронике, промышленных, коммуникационных, медицинских и тестовых приложениях, особенно тех, которые требуют операций шины памяти с интенсивным вводом-выводом, расширения ввода-вывода общего назначения, упорядочивания, преобразования интерфейсов и т. Д. хранение, и применение сенсорного экрана и клавиатуры интерфейса человек-машина.