目前的視頻監視市場在發展過程中遇到了很多要解決的難題，包括從模擬到數字攝像機的過渡、轉換到高清(HD) 視頻、應用寬動態范圍(WDR) 傳感器，以及實現進行數據傳輸和控制的互聯網協議(IP) 鏈接等。針對這些問題，本文介紹了如何采用FPGA構建IP 監視攝像機的參考設計，展示了怎樣采用低成本Altera Cyclone III FPGA 構建完整的系統。
引 言
在視頻監視市場領域，對更高質量視頻、高分辨率以及靈活性和功能的需求促進了從模擬到數字攝像機的過渡。在定義上，高清(HD) 視頻必須是數字的，因此，采用HD標準也就意味著過渡到數字傳感器。HD 視頻標準支持更高的幀速率和分辨率，需要H.264 等新壓縮方法，促使攝像機具有更強的處理能力。
在各種照明條件( 強光和暗光、強對比度) 下都要求能夠提取出所有圖像內容，因此，數字攝像機采用了新一類WDR 傳感器，攝像機也要求在數字域中實現動態范圍壓縮。攝像機中數字數據通路的另一優點是可以在攝像機內部進行“分析”處理。
IP 監視攝像機參考設計
圖1 所示為IP 監視攝像機參考設計的頂層結構圖和硬件，它主要面向新一代HD (>1MP) WDR 傳感器。IP 監視攝像機參考設計結合了Altera 以及多家合作伙伴的硬件和軟件知識產權。圖1.IP 監視攝像機參考設計結構圖
圖2 顯示了參考設計的硬件平臺，基于Cyclone III EP3C120 開發板。Aptina WDR 傳感器像素數據被送入Apical 的圖像傳感器流水線(ISP)。輸出數據是YUV4:2:0 格式，寫入到外部DDR2 SDRAM 的幀緩沖中，它使用了Altera 視頻和圖像處理(VIP) 套裝提供的組件。然后，使用EyeLytics 提供的內核，以H.264 格式對視頻數據進行編碼，支持( 在這一應用中)3 級基線/ 主要類視頻流，通過以太網在遠程主機上觀看。散射收集直接存儲器訪問(SGDMA) 控制器支持Altera 三速以太網(TSE) MegaCore ?功能，將編碼后的視頻流通過以太網傳送到遠程客戶端。圖2.IP 監視攝像機參考設計硬件
寬動態范圍傳感器
Aptina MT9M033 是0.33" 720p60 WDR CMOS 傳感器，主要用于監視攝像機市場。傳感器和鏡頭組合安裝在“頂板”上，通過I/O 轉換板將其連接至Cyclone III EP3C120開發板。圖像傳感器流水線CMOS WDR 傳感器沒有片內圖像流水線處理功能，以RAW/Bayer 格式輸出圖像數據，每像素為20 比特。可以采用下式來計算傳感器輸出的大量原始數據：20 比特/ 像素 x (1280 x 720) 像素/ 幀x 60 幀/s = >1 Gbit/s由于數據量過大，因此，很難將新一代WDR 傳感器連接至監視解決方案中經常使用的ASSP。因此，FPGA 是高效處理數據的理想選擇。Apical 的ISP ( 圖3) 包括以下功能：
■ 去除熱點像素，抑制噪聲( 提供空間和時域IP 內核)。
■ 使用Apical 獲獎的專利Iridix IP 內核實現單位像素高級色調映射功能
■ 高級去馬賽克和顏色校正
與圖4 頂部未處理的圖像相比，圖4 底部顯示了Iridix 內核怎樣從強對比度場景中盡可能多的提取出細節內容。特別是，較暗的區域并沒有受到較亮區域過渡感光的影響。圖4.Apical ISP 強對比度場景效應
ISP 輸出可以作為參考設計的一個選項，通過Bitec DVI 輸出電路板連接至CycloneEP3C120 開發板的第二個HSMC 連接器( 顯示在圖2 的左側硬件中)。
視頻和圖像處理套裝
Altera VIP 套裝匯集了MegaCore 功能，設計人員可以利用它方便的開發定制視頻和圖像處理設計。VIP 套裝含有MegaCore 功能，從顏色空間轉換等簡單的構建模塊功能到可編程多相縮放等復雜的視頻縮放功能。這些功能適合用在多種圖像處理和顯示應用中，例如視頻監視、廣播、視頻會議、醫療和軍事成像等。
在IP 監視攝像機參考設計中，采用了多種VIP 內核進行顏色空間轉換，采用色度重新采樣功能將ISP 的RGB 編碼視頻轉換為H.264 編碼器要求的YUV 4:2:0 編碼輸入。如圖5 所示，內核連接至應用了Avalon-ST 視頻協議的Avalon ?流(Avalon-ST) 接口。使用Avalon 存儲器映射(Avalon-MM) 接口，Y 和C 視頻分量被寫入外部DDR2 存儲器的幀緩沖。
在H.264 編碼之前，跳過視頻間隔幀，在幀緩沖寫入器中，720p60 傳感器幀速率被轉換為720p30，而不是將其寫入幀緩沖中。
視頻壓縮
該設計中使用的H.264 編碼器( 圖6) 是EyeLytics 公司提供的IP 內核，它針對監視應用進行了優化。這一內核具有很多監視功能，包括多通道支持、恒定質量速率控制、幀內/ 幀間模式、QPEL、前后關系自適應二進制算法編碼(CABAC)/ 前后關系自適應長度可變編碼(CAVLC)，并且使用了較少的邏輯門。內核同時支持主要類和基線類。
三速以太網MAC
Altera TSE MegaCore 功能結合了10-/100-/1000-Mbps 以太網介質訪問控制器(MAC)和1000BASE-X 物理編碼子層(PCS)，以及可選物理介質附加子層(PMA)。Cyclone IIIEP3C120 開發板包括10/100/1000 base-T 和自動協商以太網PHY，其簡化千兆位介質無關接口(RGMII) 連接至TSE 功能。
Avalon 總線架構和DDR2 幀緩沖存儲器采用了一塊具有150 MHz 32 位數據總線的外部DDR2 SDRAM，由Altera DDR 和DDR2SDRAM 高性能II 控制器MegaCore 功能對其進行控制，它用于應用程序代碼和數據存儲、輸入和輸出幀緩沖以及H.264 編碼器的中間幀緩沖。為達到時序和性能目標，Avalon-MM 總線架構是75 MHz 128 位寬。Avalon 仲裁共享功能應用于連接DDR2 存儲器控制器的每一Avalon-MM 總線主機，以保證不中斷的高效訪問H.264 編碼器的突發數據。 整個系統采用了時鐘交叉橋接、定時器和并行I/O 等多種標準Avalon 組件。為簡單起見，圖6 并沒有顯示這些組件。
工具流
使用Altera SOPC Builder 工具，以完整的芯片系統(SOC) 來實現IP 監視攝像機參考設計。使用SOPC Builder，設計人員在GUI 中設定系統組件，由SOPC Builder 自動產生互聯邏輯。SOPC Builder 產生定義系統中所有組件的HDL 文件，然后，頂層HDL 文件將所有組件連接起來。在Verilog HDL 中生成IP 監視攝像機參考設計，而SOPCBuilder 能夠同時生成Verilog HDL 和VHDL。
ISP 和H.264 編碼器可以是具有Avalon-MM 接口的SOPC Builder 組件，易于集成到Altera 具有標準外設的系統中，以及第三方IP 和設計人員自己的組件構成的系統中。SOPC Builder 含在Altera Quartus ? II 開發軟件中，提供了全面的多平臺設計環境，很容易滿足特殊的設計需求。Quartus II 軟件為FPGA 和CPLD 設計的所有階段提供解決方案：
■ 設計輸入
■ 綜合
■ 布局布線
■ 時序分析
■ 仿真
■ 編程和配置
使用Altera Nios ? II 嵌入式設計套裝進行軟件開發。基于SOPC Builder 設計中的組件，生成電路板支持包(BSP)，包括所有必須的器件驅動程序等。
軟件應用
采用Nios II 嵌入式處理器來設置不同模塊中的各種寄存器，同時運行RTP 堆棧，傳送壓縮視頻。采用以太網MAC 模塊來控制ISP，嵌入式處理器運行Micrium 的uC/OSII實時內核、InterNiche 技術公司的NicheStack 和RTP 堆棧，以及Altera 參考設計的視頻流應用程序和網絡服務器應用程序。處理器還處理ISP 的自動曝光和自動白平衡控制功能。
視頻流應用程序響應H.264 編碼器的中斷，重新裝入各種緩沖指針。重新裝入功能使其能夠準備要編碼的下一視頻幀，將剛剛編碼后的幀通過以太網傳送至RTP 堆棧，以便繼續傳輸。通過網絡服務器應用程序，支持ISP 進行簡單的控制，使傳感器在正常和WDR 模式之間切換，使能和禁止Iridix。這種控制功能具有實時顯示ISP 的優勢。網絡服務器應用程序還支持對編碼器進行配置，包括比特率和質量等，在CABAC 和CAVLC 之間進行選擇。
主機軟件
運行VLC 媒體播放器( 或者類似的) 的主機PC 用于查看IP 監視攝像機參考設計的流視頻輸出。如圖7 所示，主機和EP3C120 開發套件之間需要的唯一鏈接是以太網電纜。
性 能
IP 監視攝像機參考設計的性能指標包括速度、延時、功耗和資源利用率。
速 度
在Cyclone III EP3C120I7 開發板上實現參考設計時，DDR 時鐘頻率為150 MHz，足以使用H.264 基線類或者主要類來壓縮720p30 視頻幀。Avalon-MM 總線架構運行在75MHz，H.264 編碼器內核運行在150 MHz。DDR2 存儲器控制器、Avalon-MM 總線架構以及H.264 內核通過同步半速率橋接進行連接，以減小時鐘域之間的延時。Nios II 處理器和TSE 的時鐘為125 MHz。采用了Nios II/F( 快速) 版的Nios II 處理器，具有8-Kbyte 指令高速緩存、8-Kbyte 數據高速緩存，并且支持浮點。
延 時
從傳感器輸入到ISP，直至H.264 編碼器輸出的延時小于兩幀，它主要來自圖像數據的雙緩沖。在對以前的幀進行編碼時總是將新輸入幀寫入存儲器。
功 耗
參考設計總功耗包括所有的輔助模塊和I/O 的功耗，達到2.7 W。表1 顯示了參考設計中使用的每一主要模塊的功耗。其余的700mW 來自Avalon 總線架構、顏色空間轉換和參考設計的I/O 附件。
資源利用率：在Cyclone EP3C120 中實現整個參考設計時，其資源利用率為：
■ 107K 邏輯單元(LE) (90% 器件利用率)■ 410 M9K 嵌入式存儲器(95% 器件利用率)■ 140 個嵌入式乘法器9 位單元(24% 器件利用率)
表2 列出了某些模塊的資源利用率。
表3 列出了使用的I/O。
靈活性
基于FPGA 的體系結構非常靈活，可以進行定制，完全能夠在大家都了解的標準硬件平臺上實現。通過這種靈活性，可以增強和修改系統體系結構，以適應不同的系統需求。由于采用了標準HDL 來實現設計，因此，很容易提高攝像機分辨率，增加定制視頻處理功能或者視頻分析引擎。而且，還可以通過以太網進行遠程更新。例如，把新的FPGA 編程文件發送至Nios II 嵌入式處理器，然后將文件寫入閃存，從而重新配置系統或者改變傳感器和ISP 設置。在單片FPGA 中集成整個IP 監視攝像機參考設計減少了芯片數量，節省了PCB 空間。不需要與外部器件進行通信，從而減少了I/O 鏈接，降低了動態功耗，解決了散熱問題。針對個性化需求，使用不同的FPGA 圖像( 例如，分辨率、幀速率和壓縮選項)，在一個系統設計中便能夠支持多種個性化攝像機。通過縱向移植，可以在同一封裝中使用不同邏輯密度的器件。而且，設計可以在任意FPGA 上實現，采用開放設計方案使設計人員能夠針對最新的FPGA 進行設計，有了更新的FPGA 系列后，可以進一步提高性能，降低成本和功耗
結 論
Altera 的Cyclone III 和Cyclone IV 系列低成本FPGA 解決了目前最新IP 監視系統設計人員所面臨的難題。通過IP 監視攝像機參考設計，Altera 及其合作伙伴提供了從圖像采集到IP 包封的全面解決方案，使用集成在Altera SOPC Builder 工具中的系列MegaCore 功能來提供靈活的解決方案，促使產品及時面市。