Do nhu cầu xây dựng thành phố an toàn, sự phát triển của giám sát video đã được thúc đẩy hơn nữa, và do đó việc áp dụng FPGA trong lĩnh vực này cũng được đẩy mạnh.
Đặc biệt là hiện nay các yêu cầu về giao diện đa kênh, độ nét cao, mạng, giao diện truyền thông tốc độ cao và thông minh đã thúc đẩy sự phát triển hơn nữa của lĩnh vực Bộ điều khiển tường video dựa trên FPGA.
Ngược lại, sự tiến bộ và đổi mới của công nghệ chip FPGA, lõi IP và thiết kế tham chiếu đã thúc đẩy sự phát triển của giám sát video.
Giờ đây, rất khó để đáp ứng nhu cầu của các hệ thống hiệu suất cao chỉ bằng cách sử dụng bộ vi xử lý DSP hoặc chip có sẵn (ASSP).
Tuy nhiên, do khả năng tích hợp cao và tính linh hoạt của các thiết bị lập trình hiện tại, cũng như mức tiêu thụ điện năng thấp và phạm vi hoạt động rộng, giá của chúng tiếp tục giảm. Do đó, hiệu suất cao và tính linh hoạt độc đáo của mảng cổng logic có thể lập trình được (FPGA) được sử dụng. Vì vậy, nó có thể tạo ra nhiều sản phẩm giám sát video.
1. Điều gì làm cho FPGA đáng chú ý?
FPGA có thể lập trình được như GPU hoặc CPU nhưng nhằm vào các vấn đề song song, độ trễ thấp, thông lượng cao như suy luận và Mạng thần kinh sâu.
FPGA có một số lợi ích, trong đó đáng chú ý nhất là tốc độ.
Mặc dù FPGA chạy ở tốc độ xung nhịp chậm so với các CPU hiện đại, nhưng về cơ bản, chúng chạy đồng thời, thay vì chạy các luồng lệnh tuần tự, với dữ liệu được lưu chuyển tối ưu giữa các hoạt động đồng thời này, dẫn đến hiệu suất thực tăng đáng kể.
Có khả năng các ứng dụng chạy nhanh hơn 100 lần so với cùng một đoạn mã chạy trên các CPU truyền thống.
FPGA chứa hàng triệu khối logic có thể lập trình lại có thể được sử dụng để thực hiện nhiều hành động cùng một lúc, mang lại lợi ích của tính song song và đồng thời.
Khi viết mã, các kỹ sư có thể tận dụng lợi thế của kiến trúc song song này bằng cách chia nhỏ các vấn đề thành các quy trình khép kín, có cấu trúc tốt có thể chạy đồng thời.
Ví dụ: khi một hình ảnh được xử lý không đồng thời, một nhân viên sẽ xử lý toàn bộ hình ảnh theo từng pixel. Nhưng khi cùng một hình ảnh được xử lý đồng thời, nó sẽ được chia nhỏ thành các phần được xử lý đồng thời bởi các công nhân khác nhau, và sau đó ghép lại với nhau.
Điều này làm cho quá trình phức tạp hơn nhưng nhanh hơn rất nhiều - dữ liệu đến phải được tách ra theo cách tối ưu, phân phối hiệu quả cho người lao động, sau đó dữ liệu đã xử lý được thu thập và tập hợp lại, lý tưởng nhất là không làm tắc nghẽn đường truyền công việc.
Trong một CPU bình thường, điều này liên quan đến việc dữ liệu được đẩy và kéo từ bộ nhớ, và các giao thức tốn kém để các tiến trình đồng ý về trạng thái hiện tại của bộ nhớ. Ngay cả những CPU Intel lớn nhất cũng chỉ có 18
lõi. Trong khi đó, trong FPGA, luồng dữ liệu có thể được thiết kế để nó không bao giờ rời khỏi chip.
Hàng chục nghìn quy trình đồng thời có thể xảy ra và thời gian xử lý được tối ưu hóa để thông lượng
luôn luôn là cực đại.
2. Ứng dụng của FPGA trong giám sát video thông minh
Hiện tại, độ phân giải của camera IP đang dần phát triển từ độ nét tiêu chuẩn D1 lên độ nét cao (1920 × 1080), và phải thực hiện nén cục bộ theo thời gian thực nên chỉ có thể sử dụng nén cứng. Nếu sử dụng nhiều bộ xử lý DSP, chi phí hệ thống, tích hợp và tiêu thụ điện năng sẽ tăng lên, điều này không thể chấp nhận được đối với người dùng; nếu sử dụng thiết bị FPGA đơn chip giá rẻ, hiệu suất không thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế.
Tuy nhiên, nếu sử dụng thiết bị FPGA dòng Stratix hiệu năng cao một chip thì yêu cầu có thể được đáp ứng. Bởi vì thiết bị này có cấu trúc tương ứng là thiết bị dòng ASIC-Hard-Copy, nó có thể giảm giá thành xuống còn 1/10 và giảm 50% điện năng tiêu thụ. Do đó, thiết bị FPGA này có thể được sử dụng như một camera IP độ nét cao đơn kênh
Để theo dõi cục bộ hình ảnh đa kênh, thông thường cần phải ghép dữ liệu video đa kênh và phân chia và chia tỷ lệ hình ảnh. Do đó, dữ liệu định dạng CCIR656 tiêu chuẩn phải được gửi đến bộ phận chia tỷ lệ ghép kênh video để xử lý.
Tài nguyên bộ nhớ dồi dào trong các thiết bị FPGA phù hợp hơn để sử dụng làm bộ đệm dòng cần thiết cho thuật toán ghép kênh và chia tỷ lệ video, vì vậy phần này có thể nhanh chóng thực hiện các chức năng ghép kênh và chia tỷ lệ và phân đoạn màn hình.
Sau đó, nó được gửi đến phần mã hóa H.264 D1 + CIF đa kênh, và khả năng xử lý song song mạnh mẽ vốn có trong FPGA có thể đáp ứng các yêu cầu về tốc độ xử lý của thuật toán H.264. So với nhiều chương trình triển khai bộ xử lý ASSP hoặc DSP, FPGA một chip cung cấp hiệu suất hệ thống ổn định hơn, chi phí thấp hơn và tỷ lệ giá / hiệu suất tốt nhất.
3. Sử dụng FPGA để thực hiện chức năng xử lý video thời gian thực DSP
So với các giải pháp ASSP và chipset, FPGA có thể cung cấp các mức độ linh hoạt khác nhau tùy theo nhu cầu thực tế của các kỹ sư thiết kế và duy trì hiệu suất tốt hơn đáng kể so với các DSP truyền thống.
Xử lý video thời gian thực đòi hỏi hiệu suất hệ thống cực cao, vì vậy hầu như tất cả các DSP đa năng với các chức năng đơn giản nhất không có chức năng này.
Thiết bị logic khả trình cho phép các nhà thiết kế sử dụng công nghệ xử lý song song để thực hiện các thuật toán xử lý tín hiệu video và chỉ một thiết bị duy nhất có thể đạt được hiệu suất mong muốn.
Các giải pháp dựa trên DSP thường cần nhúng nhiều DSP trên một bo mạch để có được các khả năng xử lý cần thiết, điều này chắc chắn sẽ làm tăng chi phí tài nguyên chương trình và tài nguyên bộ nhớ dữ liệu.
Bởi vì việc gửi dữ liệu video băng thông cao và duy trì chất lượng dịch vụ (QoS) thích hợp trên các kênh truyền cực hẹp (chẳng hạn như kênh không dây) là vô cùng khó khăn, các nhà thiết kế cam kết cải thiện việc sửa lỗi, nén và xử lý hình ảnh dựa trên triển khai FPGA . Công nghệ.
Cốt lõi của thuật toán MPEG-4 là một phép toán được gọi là Biến đổi Cosin rời rạc (DCT). Phần DCT đã được tiêu chuẩn hóa và có thể được triển khai hiệu quả trong FPGA. Nhiều bộ giải mã MPEG chuyên dụng cũng sử dụng các phần này (chẳng hạn như mô-đun ước tính chuyển động). FPGA.
Vì FPGA có thể được cấu hình lại, thiết bị có thể được làm mới dễ dàng và các thuật toán mới có thể được tích hợp trong suốt giai đoạn phát triển (bao gồm cả sau khi cấu hình).
Một phần quan trọng khác của hệ thống video là chuyển đổi không gian màu. Kiến trúc hệ thống FPGA có thể điều chỉnh thuật toán của hệ thống ứng dụng để đạt được hiệu suất và hiệu quả tốt nhất.
FPGA có thể cung cấp các sản phẩm hiệu suất cao và hiệu suất cao thiết thực và có giá trị nhất thông qua các điều chỉnh tùy chỉnh. Các nhà thiết kế có thể thỏa hiệp giữa phạm vi ứng dụng và tốc độ, để hiện thực hóa chức năng được chỉ định với tốc độ thấp hơn nhiều so với đồng hồ DSP.
Ví dụ, trong ứng dụng bộ lọc trung vị, bộ xử lý DSP cần 67 chu kỳ xung nhịp để thực thi thuật toán, trong khi FPGA chỉ cần làm việc ở tần số 25MHz, vì FPGA có thể thực hiện chức năng này song song.
Nhưng DSP thực hiện chức năng nói trên phải hoạt động dưới tần số 1.5GHz, có thể thấy ở ứng dụng cụ thể này, khả năng xử lý của giải pháp FPGA có thể đạt gấp 17 lần bộ xử lý DSP 100MHz.
Nhiều chức năng xử lý hình ảnh và video thời gian thực phù hợp để thực hiện với các thiết bị FPGA, bao gồm: xoay hình ảnh, chia tỷ lệ hình ảnh, chỉnh sửa màu sắc và hiệu chỉnh sắc độ, tăng cường bóng, phát hiện cạnh, chức năng biểu đồ, làm sắc nét, bộ lọc trung vị và phân tích đốm, v.v. Nhiều các chức năng nhằm vào các ứng dụng và hệ thống cụ thể, và được xây dựng dựa trên kiến trúc cốt lõi (chẳng hạn như bộ lọc 2D-FIR).
4. Sử dụng FPGA để xây dựng bộ điều khiển tường video và hình ảnh cho các hệ thống nhúng
Việc sử dụng các thiết bị FPGA để xây dựng bộ điều khiển video và hình ảnh đang làm cho công nghệ hiển thị hình ảnh ngày càng đi vào các ứng dụng nhúng. Do sự kết hợp hoàn hảo giữa hiệu suất và tính linh hoạt, các ứng dụng FPGA trong lĩnh vực DSP ngày càng trở nên phổ biến hơn.
iSEMC đã ra mắt loạt bộ điều khiển tường video tường lập trình trường công suất thấp (FPGA) mới, mở rộng hơn nữa nguồn lực của mình cho một loạt các giải pháp lập trình công suất thấp cho các thiết kế có ý thức về điện năng.
Các thiết bị FPGA mới cung cấp mức tiêu thụ điện năng, diện tích, logic và tỷ lệ chức năng trên I / O tốt nhất trong các thiết bị logic có thể lập trình được. Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị điện tử di động trong các ứng dụng điện tử tiêu dùng, công nghiệp, truyền thông, y tế và thử nghiệm, đặc biệt là những ứng dụng yêu cầu hoạt động bus bộ nhớ I / O chuyên sâu, mở rộng I / O mục đích chung, giải trình tự, chuyển đổi giao diện, lưu trữ và Ứng dụng của công nghệ màn hình cảm ứng và bàn phím giao diện người-máy.