本文提出了一種基于低成本FPGA的高清低碼流安防攝像機(jī)SoC實(shí)現(xiàn)方式，該設(shè)計(jì)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)，開(kāi)創(chuàng)了高清低碼流安防攝像機(jī)SoC的先河。
概述
目前高清H.264攝像機(jī)的核心SoC基本上都是ASIC，而FPGA作為近年來(lái)發(fā)展迅速的可編程器件，在高清H.264攝像機(jī)的SoC領(lǐng)域如何能有一席之地？這是我們的設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
設(shè)計(jì)特點(diǎn)
與ASIC相比，F(xiàn)PGA的特點(diǎn)是功能強(qiáng)，設(shè)計(jì)靈活，隨時(shí)升級(jí)，工作成果可以積累，NRE低，但是芯片價(jià)格比ASIC貴，所以必須找到一個(gè)可以達(dá)到價(jià)格平衡的應(yīng)用領(lǐng)域，我們根據(jù)這幾年智能手機(jī)和3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅猛的情況，參考電信運(yùn)營(yíng)商第一代全球眼的技術(shù)指標(biāo)，直接把設(shè)計(jì)指標(biāo)定位在碼流小于 512kbps和分辨率為1280x720x25fps，目前在市面上可以實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的攝像機(jī)幾乎沒(méi)有，這是FPGA的好機(jī)會(huì)。
512kbps的碼流限制主要是考慮到ADSL和家庭光端機(jī)的上傳能力，而且也能利用3G上傳視頻，減少了智能手機(jī)的碼流下載壓力;1280x720是智能手機(jī)的主流分辨率，自然需要相應(yīng)的視頻源，如果顯示D1或CIF，效果肯定不理想。
我們的目標(biāo)是做一個(gè)可以直接用于生產(chǎn)的參考設(shè)計(jì)，除了設(shè)計(jì)指標(biāo)先進(jìn)，我們還要考慮價(jià)格和實(shí)用，所以我們選擇了低成本的CYCLONE IV系列，另外也實(shí)現(xiàn)了一般網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的全部功能，如H.264壓縮、720p25幀三碼流、雙向語(yǔ)音、重要區(qū)域和隱私區(qū)域的定義、智能分析、移動(dòng)檢測(cè)、 聲音偵測(cè)、POE供電等。
實(shí)現(xiàn)高清低碼流H.264攝像機(jī)SoC的關(guān)鍵
一般來(lái)說(shuō)，1280×720×25fps的碼流在2Mbps左右，如何降低碼流?除了使用mail profile with cabac的H.264編碼器外，還需要對(duì)視頻圖像進(jìn)行分析，而且要在幀率、分辨率、視頻質(zhì)量等方面權(quán)衡折中，在512kbps碼流下獲得最好的視頻效果，為了達(dá)到這樣的目的，需要復(fù)雜靈活的控制，F(xiàn)PGA可以滿足這樣的需求。
高清低碼流H.264攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)
高清低碼流H.264攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：
FPGA的選用
在高清低碼流H.264攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)中，除了圖像傳感器、存儲(chǔ)器、電源和模擬接口外，所有的功能如圖像處理、H.264編碼、協(xié)議處理、參數(shù)管理、媒體流發(fā)送等都由FPGA實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA就是高清低碼流H.264攝像機(jī)的 SoC;目前世界上FPGA的生產(chǎn)商只有幾個(gè)，可選擇的產(chǎn)品也不多，要用FPGA實(shí)現(xiàn)高清低碼流H.264攝像機(jī)的SoC，選擇一款合適的FPGA非常重要，F(xiàn)PGA的選擇主要考慮三方面的因素：速度、成本和結(jié)構(gòu);每個(gè)FPGA生產(chǎn)商都有多個(gè)FPGA系列，每個(gè)系列的速度、性能和價(jià)格都不同，要使高清低碼流H.264攝像機(jī)SoC的成本盡可能低，應(yīng)該選擇成本最低的系列，像我們選擇的FPGA是Altera公司的CYCLONE IV系列，型號(hào)是EP4CE115F23C8，CYCLONE IV是低成本系列，在同樣是低成本系列的FPGA中，CYCLONE IV的速度是最快的; FPGA的結(jié)構(gòu)對(duì)圖像處理也很重要，尤其是存儲(chǔ)器和乘法器的數(shù)量，H.264算法是以宏塊為單位，在處理過(guò)程中必然會(huì)涉及到宏塊的輸入輸出和緩存，1個(gè)宏 塊的數(shù)據(jù)為384字節(jié)(256字節(jié)亮度數(shù)據(jù)和128字節(jié)色度數(shù)據(jù))，如果考慮到輸入輸出和處理的并行，必須設(shè)置雙份，即768字節(jié)，用CYCLONE IV的1個(gè)M9K存儲(chǔ)塊正好，從上面的分析可以看出適合圖像處理的FPGA對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器的要求是存儲(chǔ)塊容量小(如1KB)、存儲(chǔ)塊數(shù)量多，另外，對(duì)乘法器的要求也是數(shù)量多;在我們選擇FPGA的時(shí)候，CYCLONE IV是在所有低成本FPGA中有最大的存儲(chǔ)器邏輯比和乘法器邏輯比，很適合做圖像處理。
圖像傳感器的選擇
為 了滿足1280x720x25fps的要求，只需要選擇百萬(wàn)像素的傳感器就可以了，我們最終選擇了300萬(wàn)像素的AR0331，還可以實(shí)現(xiàn) 1920x1088x11fps，在實(shí)現(xiàn)1280x720x25fps時(shí)還有電子PTZ功能，AR0331還有寬動(dòng)態(tài)功能，便于攝像機(jī)以后擴(kuò)充寬動(dòng)態(tài)功能。
