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SoC:开启数字视频监控进入百万像素时代的“密钥”

视频处理芯片技术作为数字监控的动力之源,其技术创新的每个步伐都在行业内掀起一次热潮。百万像素时代,芯片技术的发展和突破开始引领新一轮应用风暴。以SoC为代表的单片系统凭借耗电量低、体积小、低成本等优势,在数字监控应用领域格外活跃...
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【安防知识网】视频处理芯片技术作为数字监控的动力之源,其技术创新的每个步伐都在行业内掀起一次热潮。百万像素时代,芯片技术的发展和突破开始引领新一轮应用风暴。以SoC为代表的单片系统凭借耗电量低、体积小、低成本等优势,在数字监控应用领域格外活跃。随着芯片厂商越来越重视用户对更高清晰的追求,市面上采用SoC芯片方案的网络摄像机、DVR、DVS、混合式DVR等产品越来越多。本文重点关注SoC芯片方案如何满足百万像素时代的需求,目前主流的SoC芯片方案,及其可以提升网络摄像机、DVR产品的哪些效能。

  随着数字视频监控技术的日臻成熟和完善,以及逐步向IP、高清、智能方向发展,其中SoC单片系统在核心芯片技术领域扮演的角色越来越受到重视,尤其在通往百万像素的道路上,被众多安防设备商赋予了厚望。在我们本期产品新视野专栏中,根据调查显示2011年,从数量上百万像素网络摄像机约占网络摄像机总台数的33%,金额上约占网络摄像机整体市场规模的36%,可见,百万像素正逐渐成为网络摄像机市场的顶梁柱。

  以升迈、海思等为代表的芯片厂商,基于DSP或ASIC芯片开发出集成度更高的单片系统SoC芯片方案,TI、NXP等DSP芯片商也推出了SoC芯片方案。从某种程度说,SoC将进一步推动数字监控领域的技术创新,并让技术创新更容易付诸现实。从海思2006年推出H.264 SoC芯片方案,到TI推出的“达芬奇”DM644x系列,集成了ARM9、DSP和VPSS的SoC平台等等,加入SoC阵营的芯片商也越来越多,硬件厂商也开发出越来越多基于SoC平台的产品,如波粒科技股份有限公司的百万像素摄像机采用的就是TI达芬奇系列芯片。而具备更高集成度、更高处理能力和运算速度的SoC芯片方案同时兼具了ASIC和DSP的优点。既具备ASIC体积小、低功耗、低成本、高可靠性的特征,又降低了开发的复杂度,保证了灵活性的特点,解决了DSP高成本的难题。

  百万像素时代SoC芯片方案的关注点

  那么,基于SoC芯片的解决方案如何去适应百万像素时代的发展需求,我们将从以下三个方面进行重点探讨:能够支持的高清路数、能够输出的码流有几种、本地输出界面和远端输出界面包括哪些。

  可以支持的高清路数

  在视频核心器件领域,无论是前端解码芯片还是后端压缩处理芯片领域,各个芯片厂商一直在追求产品集成度的提升,而以后端压缩处理芯片的发展过程来看,其芯片的集成度和运算能力一直在进步,单芯片处理的路数也一直在增加,从以前一颗单芯片只能实现1路视频输入,慢慢发展到一颗芯片可以实现2路、4路、8路、16路甚至更多路的视频输入,可以支持的高清路数也在提升。

  目前,TI在今年首季推出新一代达芬奇视讯SoC,在DM646x的基础上,将CPU由ARM9最高的500MHZ主频提升到1GHz主频的Cortex A8,用于视频压缩的HD-VICP视频协处理器由两个V1.0单元增加到三个并提高为V2.0,处理能力也由1路H.264格式的1080P@60fps增加了三倍,同时,单芯片DM8168可以实现支持H.264格式16路D1视频编码,同时支持混合配置8路D1视频解码。在高清方面,单芯片DM8168可支持3路H.264格式的1080p@60,或6路1080p@30或12路720p,这也是单芯片在多路通道高清支持方面取得的一个突破。

  另外,海思的Hi3520是具有2路高清编解码能力的SoC解决方案,集成了高清视频级联通道,可以快速构建多片级联的百万像素编码器或者解码器,而且在高清解码或者编码时可达到1080p@30fps。另据富瀚微电子的市场销售部产品经理张克非介绍,该公司早前推出的FH8735和FH8736高清视频编码解决方案也支持1路1080p@30fps或2路720p@60fps格式的高清视频实时编码。

[nextpage]  多码流输出

  压缩算法不断升级、压缩比的不断提升,使得高清之下的画质和实时性有了更佳的表现,例如目前市场上H.264已是毋庸置疑的主流压缩格式,也已经出现基于H.264的SoC芯片方案。“然而,实际应用中,由于带宽的限制和用户使用成本的考虑,高清虽然能带来更多的细节信息判读,但是不能在目前的成本下通过高码流来实现,因此,在不同的需求和带宽环境之下,对可以支持的码流输出亦有更多的需求。”台湾升迈科技股份有限公司的产品与市场经理郑顺发表示。

  据TI通用DSP业务拓展经理郑小龙介绍,TI今年主推的DM8168就捆绑了多种多样的压缩格式,包含H.264、MPEG4、MPEG-2、M-JPEG,同时还支持VC1和AVS等,某种程度上有助于解决视频监控系统对多种视频格式兼容性的难题。而升迈早在07年就推出了集成MPEG-4/JPEG的SoC解决方案,随后更是推出了高度集成H.264、MPEG-4、JPEG的SoC解决方案,实现在H.264格式下实时1280×720@30fps或者1280×960@22.5fps等多码流输出。

  海思则从Hi3510开始,就对监控专用的视频压缩技术进行重点研究。在使用H.264压缩标准下考虑到视频的时延性和打包的方便性,推出了2M带宽的720P实时Hi3512高清解决方案,Hi3515芯片方案在此基础上将性能提升到了1080P@30fps,强化细节效果等等。

  在高清方面,大部分的SoC芯片方案并没有产生延时的情形。在SoC架构的改良下,延时与码流控制获得更好的解决方案。

  丰富的界面设计

  在视频监控领域除了追求画质的高清晰、多通道和多码流输出外,SoC的界面设计所能支持的功能也受到关注,这也是SoC集成度更高的表现,比如存储、管理、显示、供电配置等等。

  以TI新推出的DM8168为例,与上一代的DM6467相比较,除了体积变小之外,还进行了低耗设计,所以其只有原来单芯片1/5空间大小,1/3电力消耗及1/2成本。此外,DM8168还集成了2D/3D的图形加速器、高级显示子系统,在Cortex A8的支持下,新一代DVR界面还将全面实现三维图形菜单显示,另外还集成了SATA串行高速硬盘接口、PCle增强高速外设接口、GMII千兆以太网接口等等。

  海思推出的SoC方案也考虑到了工程的实际需求。其Hi3515内置CVBS输出,用户可以直接用传统模拟显示器看到网络摄像机内部的各种参数;其Hi3520具备灵活的编解码策略,很容易均衡DVR性能,配合DHCP可对网络摄像机进行管理,同时采用高清级联通道,以及高清VGA/HDMI的输出接口,可在一台设备里管理多个百万像素摄像机。

  富瀚微电子发布的FH8735和FH8736则支持HDMI、DVI、YPbPr、VGA、SDI等多种高清视频接收器的视频输入,支持对输入视频进行去隔行、去噪声、多个文本和图形OSD叠加、图像画面缩小、移动侦测等多种图像处理功能,功能考虑周全。

  丰富的界面设计,为厂商针对不同的应用需求和应用环境开发出符合行业需求、差异化的产品提供了多种选择,如满足多用户访问、双向语音对讲、移动检测等特殊的业务需求。

[nextpage]  基于SoC的高清主流解决方案

  芯片厂商对视频监控需求的认识越来越清晰,以TI、海思、升迈、富瀚微、NXP、ADI等为代表的芯片厂商,都纷纷专门针对视频监控推出了SoC芯片解决方案。

  TI作为芯片技术领域的佼佼者,一举一动都受到行业关注。截止目前,在全球范围内已经推出达芬奇系列十多款芯片。其早期推出的达芬奇DM644x系列便可作为H.264的中低端DVR或DVS的处理核心,而无需另加CPU,也可以实现高端H.264分辨率D1的智能IP网络摄像机。DM6467系统芯片作为达芬奇系列芯片的一个高峰,可以满足DVR和DVS对更高清晰度的需求。TI今年主打的DM8168,可支持高达16路的H.264高规格的D1编码和8路的D1解码,大大降低了DVR的制造成本。

  升迈除了在07年开发出GM8120的DVR高清解决方案,此后陆续推出的GM8180、GM8161、GM8181等芯片都在DVR和IP Camera产品领域有所作为。GM8180主要应用在IP Camera、DVS、DVR,单芯片能够实现H.264 D1 75fps的编解码,适用于4路、8路、16路H.264 DVR。其最新推出的芯片GM8126主要是应用在高清IP Camera。

  海思近年来也大展身手。从最初推出标Hi3510芯片开始,又陆续发布了升级版Hi3512的720p网络摄像机解决方案,紧接着在去年又发布了第三代监控解决方案Hi3515和Hi3520高清DVR解决方案。

  为适应DVR的高清化趋势,富瀚微电子在2009年推出了FH8735多通道H.264编码芯片;同时在新一代的DVR 产品方案中,引进和使用Sigma Design公司的最新专业级高清播放器芯片SMP8655。该方案支持8路同时回放,具有显示处理功能,支持HDMI和VGA丰富的接口,已在视频安防监控、视频会议、高清视频游戏、远程机房控制、远程教育和远程医疗等得到应用。

  此外还有更多芯片商在开发符合高清需求的SoC芯片,在此就不一一例举。值得关注的是,芯片方案的增加,也带出了另一个值得关注的议题,如何照顾到标准化的需要。目前比较有影响力的三大标准——ONVIF、PSIA、HDcctv,也是芯片商在朝高清、智能方向发展需要特别关注的。

  SoC:安防设备的变革引领者

  对于设备厂商而言,SoC芯片方案对于IP摄像机、DVR、DVS等核心监控设备而言的确带来了效能提升。

  以网络摄像机应用为例,以往需要视频传感器搭配视频前端处理器,以及视频编码器和系统网络处理器,而SoC可以将视频编码器和系统处理器集成,并且在可编程的SoC中集成视频前端处理器,而且SoC中丰富的扩展接口还可以与传感器网络共同应用,具有多种形式连接,将互通、结合和融合应用到不同的场景。

  另外,由于其具有集成度高和可靠性高的优势,SoC芯片极大地降低了DVR等监控设备开发门槛,这对最终用户来说是很关键的。基于SoC可以在较短时间设计出产品,缩短产品的上市周期,这是SoC的主要价值所在。在SoC体系架构上,DVR的存储容量和后端显示上都有了明显的进步,比如在高清编解码芯片的支持下,监控分辨率从D1逐渐向HD或百万高清的方向发展,录像分辨率也从CIF开始走向720P、1080P,编码也走向更高压缩效率的H.264。

  除此以外,SoC在智能化方面也逐渐展露出发展势头,芯片商在智能方面都有做出努力。如TI针对智能化网络摄像机市场,今年初推出了DMVA1,集H.264格式D1分辨率视频压缩和基础智能功能为一体的单芯片解决方案,其中基础智能功能为目标物体统计、警戒区检测、智能移动检测、摄像头防攻击和遮挡,还有影像目标实时提取跟踪处理等。而升迈的SoC芯片也可以应用到智能分析监控中,比如脸部分析或者物体的探测等。不过智能的实现还仰赖于芯片判读准确度的提升,“目前无论对于芯片厂商还是设备厂商而言,最首要的是实现网络的高清监控,如何提升芯片的集成度、高清编码的性能是芯片商关注的焦点,藉此来满足智能视频分析的需求,”升迈郑顺发强调。

  应该说在高清智能化的趋势之下,芯片已经开始向更高集成度、更高性能的方向发展。以设备厂商的角度而言,芯片商应该结合市场发展需求,如同波粒智能的毛忠彪所言,芯片厂商不应该局限于安防产品本身,而应更多与终端应用市场进行接触,使得芯片的研发更加贴近市场本身。

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