Debido a la necesidad de una construcción segura de la ciudad, se ha promovido aún más el desarrollo de la videovigilancia y, por lo tanto, también se ha promovido la aplicación de FPGA en este campo.
Especialmente ahora que los requisitos para redes multicanal, alta definición, redes, interfaz de comunicación de alta velocidad e inteligencia han promovido un mayor desarrollo del campo de Controladores de pared de video basados en FPGA.
Por el contrario, el avance y la renovación de la tecnología de chip FPGA, el núcleo IP y el diseño de referencia han promovido el desarrollo de la videovigilancia.
Ahora, es difícil satisfacer las necesidades de los sistemas de alto rendimiento simplemente utilizando procesadores DSP o chips estándar (ASSP).
Sin embargo, debido a la alta integración y flexibilidad de los dispositivos programables actuales, así como al bajo consumo de energía y al amplio rango operativo, sus precios continúan bajando. Por lo tanto, se utilizan el alto rendimiento y la flexibilidad únicos de los arreglos de puertas lógicas programables (FPGA). , Para que pueda construir muchos productos de videovigilancia.
1.¿Qué hace que los FPGA sean notables?
Las FPGA son programables como las GPU o las CPU, pero están destinadas a problemas paralelos, de baja latencia y alto rendimiento, como la inferencia y las redes neuronales profundas.
Los FPGA tienen una serie de beneficios, el más notable de los cuales es la velocidad.
Si bien los FPGA se ejecutan a una velocidad de reloj lenta en relación con las CPU modernas, son fundamentalmente concurrentes, en lugar de ejecutar flujos de instrucciones secuenciales, con datos que fluyen de manera óptima entre estas operaciones concurrentes, lo que resulta en un aumento neto dramático en el rendimiento.
Existe la posibilidad de que las aplicaciones se ejecuten hasta 100 veces más rápido con el mismo código que se ejecuta en las CPU tradicionales.
Los FPGA contienen millones de bloques lógicos reprogramables que se pueden usar para realizar muchas acciones al mismo tiempo, brindando los beneficios del paralelismo y la concurrencia.
Al escribir código, los ingenieros pueden aprovechar esta arquitectura paralela dividiendo los problemas en procesos bien estructurados e independientes que pueden ejecutarse simultáneamente.
Por ejemplo, cuando una imagen se procesa de forma no simultánea, un solo trabajador procesará la imagen completa píxel a píxel. Pero cuando la misma imagen se procesa al mismo tiempo, se divide en partes que son procesadas simultáneamente por diferentes trabajadores y luego se vuelven a unir.
Esto hace que el proceso sea más complejo pero mucho más rápido: los datos entrantes deben dividirse de manera óptima, distribuirse de manera eficiente a los trabajadores, luego los datos procesados se recopilan y vuelven a ensamblar, idealmente sin bloquear el flujo de trabajo.
En una CPU normal, esto implica la inserción y extracción de datos de la memoria, y protocolos costosos para que los procesos acuerden cuál es el estado actual de la memoria. Incluso las CPU Intel más grandes tienen solo 18
núcleos. En comparación, en un FPGA, el flujo de datos se puede diseñar para que nunca salga del chip.
Pueden ocurrir decenas de miles de procesos concurrentes, y la sincronización del procesamiento se optimiza para que el rendimiento
es siempre máxima.
2. La aplicación de FPGA en videovigilancia inteligente
En la actualidad, la resolución de las cámaras IP está evolucionando gradualmente desde la definición estándar D1 a la alta definición (1920 × 1080), y se debe realizar la compresión local en tiempo real, por lo que solo se puede utilizar la compresión dura. Si se utilizan varios procesadores DSP, el costo del sistema, la integración y el consumo de energía aumentarán, lo que es inaceptable para los usuarios; Si se utiliza un dispositivo FPGA de bajo costo de un solo chip, el rendimiento no puede cumplir con los requisitos de diseño.
Sin embargo, si se utiliza un dispositivo FPGA de la serie Stratix de alto rendimiento y un solo chip, se puede cumplir el requisito. Debido a que este dispositivo tiene un dispositivo de la serie ASIC-Hard-Copy estructurado correspondiente, puede reducir aún más el costo a 1/10 y reducir el consumo de energía en un 50%. Por lo tanto, este dispositivo FPGA se puede utilizar como una cámara IP de alta definición de un solo canal.
Para monitorear la imagen multicanal localmente, generalmente es necesario multiplexar los datos de video multicanal y dividir y escalar la imagen. Por lo tanto, los datos en formato CCIR656 estándar deben enviarse a la parte de división de escalado de multiplexación de video para su procesamiento.
Los abundantes recursos de memoria en los dispositivos FPGA son más adecuados para su uso como el búfer de línea necesario para el algoritmo de multiplexación y escalado de video, por lo que esta parte puede realizar rápidamente las funciones de multiplexación, escalado y segmentación de pantalla.
Luego se envía a la parte de codificación multicanal H.264 D1 + CIF, y las poderosas capacidades de procesamiento paralelo inherentes a FPGA pueden cumplir con los requisitos de velocidad de procesamiento del algoritmo H.264. En comparación con los esquemas de implementación de múltiples procesadores ASSP o DSP, un FPGA de un solo chip proporciona un rendimiento del sistema más estable, menor costo y la mejor relación precio / rendimiento.
3. Utilice FPGA para realizar la función de procesamiento de video en tiempo real DSP
En comparación con ASSP y soluciones de chipset, los FPGA pueden proporcionar diferentes niveles de flexibilidad de acuerdo con las necesidades reales de los ingenieros de diseño y mantener un rendimiento significativamente mejor que los DSP tradicionales.
El procesamiento de video en tiempo real requiere un rendimiento del sistema extremadamente alto, por lo que casi todos los DSP de propósito general con las funciones más simples no tienen esta función.
El dispositivo lógico programable permite a los diseñadores utilizar tecnología de procesamiento paralelo para implementar algoritmos de procesamiento de señales de video, y solo un dispositivo puede lograr el rendimiento deseado.
Las soluciones basadas en DSP generalmente necesitan integrar muchos DSP en una sola placa para obtener las capacidades de procesamiento necesarias, lo que sin duda aumentará la sobrecarga de los recursos del programa y los recursos de la memoria de datos.
Debido a que es extremadamente difícil enviar datos de video de gran ancho de banda y mantener una calidad de servicio (QoS) adecuada en canales de transmisión extremadamente estrechos (como canales inalámbricos), los diseñadores están comprometidos a mejorar la corrección de errores, la compresión y el procesamiento de imágenes basado en la implementación de FPGA. . tecnología.
El núcleo del algoritmo MPEG-4 es una operación llamada Transformada de coseno discreta (DCT). La parte DCT se ha estandarizado y se puede implementar de manera efectiva en FPGA. Muchos decodificadores MPEG dedicados también utilizan estas partes (como los módulos de estimación de movimiento). FPGA.
Debido a que la FPGA se puede reconfigurar, el dispositivo se puede actualizar fácilmente y se pueden integrar nuevos algoritmos a lo largo de la fase de desarrollo (incluso después de la configuración).
Otra parte importante del sistema de video es la conversión del espacio de color. La arquitectura del sistema FPGA puede ajustar el algoritmo del sistema de aplicación para lograr el mejor rendimiento y eficiencia.
FPGA puede proporcionar los productos más prácticos y valiosos de alta eficiencia y alta eficiencia a través de ajustes personalizados. Los diseñadores pueden comprometerse entre el alcance de la aplicación y la velocidad, para realizar la función especificada a una velocidad mucho más baja que el reloj DSP.
Por ejemplo, en la aplicación de filtro mediano, el procesador DSP necesita 67 ciclos de reloj para ejecutar el algoritmo, mientras que el FPGA solo necesita trabajar a una frecuencia de 25MHz, porque el FPGA puede implementar esta función en paralelo.
Pero el DSP que se da cuenta de la función antes mencionada debe funcionar con una frecuencia de 1.5GHz, se puede ver que en esta aplicación en particular, la capacidad de procesamiento de la solución FPGA puede alcanzar 17 veces la del procesador DSP de 100MHz.
Muchas funciones de procesamiento de imágenes y video en tiempo real son adecuadas para su implementación con dispositivos FPGA, que incluyen: rotación de imágenes, escalado de imágenes, corrección de color y corrección de croma, mejora de sombras, detección de bordes, función de histograma, nitidez, filtro mediano y análisis de moteado, etc. Las funciones están dirigidas a aplicaciones y sistemas específicos, y se construyen sobre la arquitectura central (como los filtros 2D-FIR).
4. Utilice FPGA para crear controladores de pared de imágenes y video para sistemas integrados
El uso de dispositivos FPGA para construir controladores de video e imágenes está haciendo que la tecnología de visualización de imágenes ingrese cada vez a más aplicaciones integradas. Debido a la combinación perfecta de rendimiento y flexibilidad, las aplicaciones FPGA en el campo DSP son cada vez más comunes.
iSEMC ha lanzado una nueva serie de controladores de pared de video de matriz de compuerta programable en campo (FPGA) de baja potencia, ampliando aún más sus recursos para una amplia gama de soluciones programables de baja potencia para diseños conscientes de la potencia.
Los nuevos dispositivos FPGA proporcionan el mejor consumo de energía, área, lógica y relaciones de función por E / S en dispositivos lógicos programables. Esto lo convierte en una opción ideal para dispositivos electrónicos portátiles en aplicaciones de prueba, de comunicaciones, médicas, industriales y de electrónica de consumo, especialmente aquellos que requieren operaciones de bus de memoria intensivas de E / S, expansión de E / S de propósito general, secuenciación, conversión de interfaz, etc. almacenamiento, y la aplicación de la tecnología de teclado y pantalla táctil de interfaz hombre-máquina.