在上两期中，我们为大家介绍了FPGA与DSP含义、种类、原理、特点以及两者性能的比较等内容，那么本期我们将继续为大家介绍FPGA与DSP二者在智能安防监控中的应用情况，希望喜欢。

DSP与FPGA在智能安防监控中的应用
    在短短的十多年时间，DSP与FPGA芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，芯片的价格也越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。下面仅简略地举例介绍一下这两种芯片在智能安防监控中的应用。

DSP在智能安防监控中的应用
1、DSP在智能视频监控中的应用
    在现代的摄像机中，DSP技术得到了广泛的应用，因为经固体图像传感器光电转换产生的信号不仅很弱，而且有图像细节信号弱、亮度不均匀、彩色不自然等缺陷。因此，必须经过视频信号处理放大器进行放大和校正，这样就嵌入了DSP芯片作数字信号处理，因而市场上出现了很多DSP摄像机，这就是普通型DSP摄像机。为了进一步提高摄像机性能，如用来提高摄像机动态范围、作降噪处理、自动聚焦等，也用DSP芯片作进一步地处理，从而又出现了如松下等公司的功能型的智能DSP摄像机。

    在平安城市建设中，尤其在安防监控系统由数字化、网络化向智能化发展的进程中，除编码压缩技术需采用DSP芯片外，智能化的一些智能功能软件，大多要嵌入DSP芯片作算法处理。并且，将已嵌入智能软件的DSP芯片，嵌入摄像机，则称为检测识别型的智能摄像机。若将已嵌入智能软件的DSP芯片，分别置入DVR与DVS中，则可出现智能网络DVR与智能网络DVS等智能视频监控系统的产品形态。所以，DSP芯片不仅大量应用在普通监控系统中，而且还将大量应用在智能视频监控系统中。

2、用DSP实现MPEG-4等编码技术
    MPEG-4与H.264是常用的、较好的编码压缩技术，这用DSP很容易嵌入实现。美国模拟器件公司（ADI）推出三款最新Blackfin系列处理器ADSP-SF533、ADSP-BF531及ADSP-BF533，其性能是传统DSP和嵌入式处理器的两倍，而功耗仅为它们的一半。如ADSP-BF533具有600MHz时钟频率和1.2GMACS（每秒十亿次乘法累加运算）运算速度。这些DSP兼具业界一流的数字信号处理性能和微处理器（MCU）功能，并且支持嵌入式操作系统以满足当今嵌入式音频、视频和通信应用对高速运算和低功耗的要求。ADSP-BF533在达到600MHz性能水平时的功耗仅为280mW。这些新型DSP支持Linux、ThreadX和Nucleus等嵌入式操作系统，能很容易支持新兴的多媒体格式，如MPEG-4、H.264和Windows Media。它们还提供一些新的外围电路，包括与一系列ITU-R656视频编码器和解码器，以及65MSPS（每秒百万次采样）高速模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的无缝连接。该系列所有产品中创新的二维直接存储器存取（DMA）结构支持其专用视频端口，从而极大地降低了实时视频应用的软件开销和系统功耗。Blackfin的DSP系列采用C和C++语言编程，能有效地执行信号处理和控制指令。[nextpage]

3、基于DSP的多路音/视频采集处理系统
    采用DSP，可设计多路音/视频采集处理系统。这种系统可实时处理4路模拟视频和音频输入、l路模拟/数字视频和1路模拟音频信号输出，适应PAL/NTSC标准复合视频CVBS或分量视频Y/C格式的模拟信号输入，可适应PAL/NTSC标准S端子或数字RGB模拟/数字信号输出，可适应标准麦克风或立体声音频模拟输入及标准立体声音频模拟输出，具有对多路采集数据进行实时处理和分析的功能，可实现数据和图像叠加显示。如用TMS320 DM642型DSP即可完成上述任务，它采用500MHz或600MHz的工作频率，每秒最多可完成4.8G次操作，且具备在线编程功能，所带有的丰富外围接口可以与多种存储器相连，可以直接与网络连接，是高速图像处理的优选器件。基于这种DSP的多路音/视频采集处理系统能够同时处理4路CIF格式的数字视频，并且可以动态切换，总采样速率可达100帧/秒，每路速率为25帧/秒，可以完全保证图像实时采集，从而广泛应用于机顶盒、IP可视电话、网络视频会议等领域。

FPGA在智能安防监控中的应用
1、FPGA在智能视频监控中的应用
    由于平安城市建设的需要，更加推动了视频监控的发展，从而也推动了FPGA在这一领域的应用。尤其现在要求多通道、高清晰、网络化、通信接口高速化、智能化，都促进了FPGA在这一领域的进一步发展。反之，FPGA的芯片技术、IP核、参考设计的进步和更新，又推动了视频监控的发展。现在，单纯采用DSP处理器或现成芯片（ASSP）的方法已难以满足高性能系统的需求。但由于目前可编程器件具有很高的集成度和灵活性，以及低功耗和宽泛的工作范围，其价格又不断在下降，因此利用可编程逻辑门阵列（FPGA）特有的高性能和灵活性，使其可构建许多视频监控产品。

    目前，IP摄像机的分辨率正在由标清D1逐步进化到高清（1280×1024），并且必须进行本地实时压缩，因而只能采用硬压缩方式。如果采用多片DSP处理器，则将使系统成本、集成度和功耗增加，而让用户无法接受；如果采用单片低成本的FPGA器件，则性能又无法满足设计要求。但若采用单片高性能的Stratix系列FPGA器件，则可达到要求。因为这种器件是具有相对应的结构化ASIC-Hard-Copy系列器件，还可进一步将成本降低到1/10，并降低50%的功耗。因此，可采用这种FPGA器件作单路高清IP摄像机，欲知详情可参阅本人撰写在AS《安防工程商》中“用于平安城市的智能网络摄像机的实现方案”一文，其1路1280×1024/25帧/s＋1路CIF/25帧/s与H.264视频压缩均将在FPGA硬件中实现。

    软压缩DVR所实现的功能大多逻辑复杂度不高，同时对数据通路性能有一定的要求，需要具有高速接口通信能力，因而也适合用FPGA来实现。其缩放部分以及视频滤波等预处理工作、DMA控制器、音频FIFO和PCI-E部分可全部放入FPGA中。这里采用FPGA的好处是，可以灵活地实现任意多路的视频输入，并且视频预处理的功能可以根据不同摄像机的特性灵活定制，从而达到最优效果。

    硬压缩，是指采用硬件（如DSP处理器、媒体处理器和FPGA器件）来实现视频压缩，然后直接存贮或通过网络传送等。而从成本和易实现性等方面考虑，高端Stratix系列FPGA更适合H.264高清分辨率压缩。多路硬压缩DVR的通道数包含4、8、16通道，有的甚至超过24通道。系统的核心是多通道压缩，用FPGA实现方案与传统的ASSP或DSP处理器实现方法不同，它是一种更灵活、可扩展性更强、单路视频成本和功耗更低的解决方案。最新的65nm低成本FPGA CycloneⅢ在功耗方面拥有很大优势，这种单芯片可以支持最大到16通道的H.264编码。欲了解用FPGA实现硬压缩与软压缩DVR的，可参阅本人撰写在AS《安防工程商》中“智能网络DVR的实现方案”一文。

    为了能在本地监视多通道的画面，通常需要复用多通道视频数据和对画面进行分割与缩放，因此，必须将标准的CCIR656格式数据送入视频复用缩放分割部分处理。FPGA CycloneⅢ器件中丰富的M9K内存资源较适合用作视频复用缩放算法时必需的行缓存，从而这部分能快速实现画面复用缩放及分割功能。然后送入多通道H.264 D1＋CIF编码部分，而FPGA内在的强大并行处理能力可以满足H.264算法对处理速度的要求。这与多个ASSP或DSP处理器实现方案相比，单芯片FPGA提供了更稳定的系统性能、更低的成本以及最佳的性价比。[nextpage]

2、用FPGA实现DSP实时视频处理功能
    与ASSP和芯片组解决方案相比，FPGA可根据设计工程师的实际需求提供不同层次的灵活性，并保持明显优于传统DSP的性能。实时视频处理对系统性能的要求极高，因此几乎所有只具最简单功能的通用DSP都不具备这项功能。而可编程逻辑器件允许设计人员利用并行处理技术实现视频信号处理算法，并且只需单个器件就能实现所期望的性能。基于DSP的解决方案通常需要在单板上嵌入许多DSP，以得到必需的处理能力，这无疑将增加程序资源和数据存储器资源开销。由于在极窄的传输信道（如无线信道）上发送高带宽视频数据并保持适当的业务质量（QoS）极其困难，因此设计人员建立在FPGA实现的基础上致力于改进纠错、压缩和图像处理技术。MPEG-4算法的核心是一种称为离散余弦变换（DCT）的操作，其DCT部分已经标准化并能在FPGA中有效实现，许多专用MPEG解码器在这些部分（如运动估计模块）也使用了FPGA。因为FPGA可重新配置，因此器件能方便地进行刷新，并在整个开发阶段（包括配置之后）集成新算法。

    视频系统另一重要部分是色彩空间转换，采用FPGA的系统架构就能调整应用系统的算法，由此实现最佳的性能和效率。FPGA可以通过定制调整提供最具实用价值的高性能高效率产品，设计人员可在适用范围和速率之间进行折衷考虑，从而以比DSP时钟低得多的速率实现指定功能。如在中值滤波器应用中，DSP处理器需要67个时钟周期执行算法，而FPGA只需工作在25MHz频率下，因为FPGA能并行实现该功能。但实现上述功能的DSP必须工作在1.5GHz频率下，可见在此特定应用中，FPGA解决方案的处理能力可以达到100MHz DSP处理器的17倍。

    许多实时图像和视频处理功能均适合于用FPGA器件来实现，包括有：图像旋转、图像缩放色彩校正和色度校正、阴影增强、边缘检测、直方图功能、锐化、中值滤波器和斑点分析等。许多功能都针对特定的应用和系统，并构建在核心架构（如2D-FIR滤波器）之上。我们可以利用HDL设计语言或高级内核设计工具（如Xilinx CoreGen软件）中的DSP程序块迅速实现这些功能。此外，还能通过系统级设计方法，利用Matlabs Simulink和Xilinx System Generator工具进一步减少设计和仿真时间。

3、利用FPGA构建嵌入式系统的图像和视频控制器
    采用FPGA器件构建视频和图像控制器，正在使图像显示技术进入越来越多的嵌入式应用。由于在性能和灵活性方面的完美组合，FPGA在DSP领域的应用越来越普遍。

    Actel公司宣布推出全新的低功耗现场可编程门阵列（FPGA）系列IGLOO PLUS，进一步扩展其面向具有功耗意识设计的广泛的低功耗可编程解决方案资源。全新的FPGA器件提供可编程逻辑器件中每I/O最佳的功耗、面积、逻辑和功能比率。IGLOO PLUS系列的静态功耗仅5μW，并经过I/O优化，比较Actel屡获殊荣的IGLOO系列提供多出64%的I/O，并支持独立的施密特触发器输入、热插拔和Flash Freeze总线保持。由于IGLOO PLUS系列器件具有低功耗和经I/O优化，这使其成为消费电子、工业、通信、医疗和测试应用领域中便携式电子设备的理想选择，尤其是那些需要I/O密集内存总线操作、通用I/O扩展、排序、接口转换、存储，以及人机界面触摸屏和键盘技术的应用。[nextpage]

DSP+FPGA实时信号处理系统
    实时信号处理系统要求必须具有处理大数据量的能力，以保证系统的实时性；其次对系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求。因此，实时信号处理系统是对运算速度要求高、运算种类多的综合性信息处理系统。

    DSP+FPGA结构最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。在实时信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用FPGA进行硬件实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP芯片来实现。

    例如，应用线性流水阵列结构可实现一个实时目标检测系统，该系统的任务主要是接收摄像头输出的灰度图像，经预处理、编码、直线拟合和目标识别后，输出结果到PC机显示。在这个任务中，预处理模块包括抽样、卷积和编码等步骤，属于低层的处理，其运算数据量大，但运算结构较规则，适于用FPGA进行纯硬件实现；而直线拟合及目标识别等高层图像处理算法，所处理的数据量相对较少，但要用到多种数据结构，其控制也复杂得多，可用DSP编程来实现。FPGA选用的是Xilinx公司的XC5200系列FPGA芯片；DSP选用美国TI公司的为满足并行处理需求的32位浮点的TMS320 C40芯片。
衡量系统的整体性能不仅要看所使用的器件和所能完成的功能，还要看器件之间采用怎样的互连结构。XC5200可以完成模块级的任务，起到DSP的协处理器的作用。它的可编程性使它既具有专用集成电路的速度，又具有很高的灵活性。C40内部结构的主要优势是：所有指令的执行时间都是单周期，指令采用流水线，内部的数据、地址、指令及DMA总线分开，有较多的寄存器。这些特征使它有较高的处理速度。FPGA具有硬件的高速性，而C40具有软件的灵活性，从器件上考察，能够满足处理复杂算法的要求。同时，C40的6个通信口和6个DMA通道使其能够在不被中断的情况下比较从容地应付与外界大量的数据交换。

    从PU内部互连来看，C40使用了专用的通信口完成与FPGA的互连，能够保证在任何情况下FPGA与C40的数据通道的畅通。另外，FPGA和C40各自都有输入端口，使得系统的处理结构多样化。FPGA可以作为处理流程中的一个模块，独立完成某项功能，也可以作为C40的协处理器，通过C40的调用来完成特定的子函数。底板将互连性延伸到PU之间，使得多个电路板能够组成多处理机系统。前级的C40既可以与下一级的C40通信，也可以将数据发送到下一级的FPGA。

    由此可知，选用DSP+FPGA结构的系统具有灵活的处理结构，对不同结构的算法都有较强的适应能力，尤其适合实时信号处理任务。

结语
    由上可知，FPGA与DSP都是现代能嵌入软件，尤其是嵌入智能软件使其固化的最好的芯片，但由于制作芯片的侧重点不一样而各有优劣，有分工也有竞争。因此，在选择使用时，要根据不同的性能要求及性能价格比择优选用。一般，通用DSP用于需要复杂算法的应用领域，如果能够满足所需的MAC速度，则DSP在成本上具有优势。FPGA以更高的速度和可以通过一个芯片上的多级MAC单元来提供更高的带宽，已成为一些高端信号处理应用的技术选择。

    但现在，有实时信号处理任务的系统，大多选用DSP+FPGA相结合的结构形式。这样，可展现各自的所长，使DSP+FPGA结构的系统具有灵活的处理结构，且对不同结构的算法，能有较强的适应能力。所以，DSP+FPGA结构的形式，将是智能安防监控系统的最佳形式。