SoC的崛起
在安防市场中,作为产业上游产品的音视频编解码芯片素有DSP、ASIC与SoC之争。而近两年来,随着微电子技术以及SoC芯片处理技术的不断发展,借助低成本、低功耗、高集成度可以提供更高的处理能力和运算速度等显著优势,SoC迅速崛起,大有独霸编解码芯片市场之势。在海思半导体公司数字媒体产品经理罗勇华看来,这是大势所趋:“SoC芯片的出现兼顾了DSP与ASIC两家之长,弥补了两者之短,因此被行业赋予了更大的期待。例如,SOC具备了ASIC的性能专用特点,具有高性能、低成本、低功耗等特征,同时也保持了DSP的灵活性,并且解决了DSP芯片成本较高的问题。”业内专家雷玉堂则作出更细入的解释:“SoC芯片即是具有多处理器核心的单片集成系统,其中集成有CPU主处理器,所集成的核心既可以是ASIC类的硬核,也可以是DSP或协处理器类的软核,甚至也包含其它的专用处理子系统,且集成有丰富的外设。由于SoC是面向特性应用的片上系统,结合硬件加速等技术可以实现H.264的高复杂度的算法运算,并可针对视频编码方面进行优化,以实现最优化效果。” 视频的数字化应用在安防市场中发展非常迅猛,其中核心的视频处理起着举足轻重的地位,因而SoC的闪电式“上位”无疑为视频监控带来新的活力。
目前,很多半导体方案提供商都在走向SoC,其中就不乏像TI、NXP、ADI以及Techwell等众多欧美老牌实力派玩家,此外,近年来在中国大陆和台湾地区也迅速添入一批SoC新秀,如海思、中星微、升迈、映佳。而在应用上,SoC也在攻城略地、拔山夺池,并在视频安防监控、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应用中得到广泛认同。
“芯”时代的新探索
有别于摄像机市场的鱼龙混杂,编解码芯片业界可谓阵容齐整,家家实力不俗。雄厚的研发实力再搭配精湛的制作工艺,由此发布的每一代芯片都代表着技术的进步,以及对视频监控的加深理解。
高清与标清,坚持两手抓
高清是视频监控永不褪色的追求。在经历模拟时代、数字时代、网络时代的发展后,视频监控产品现在已经逐步走入了高清时代。
与传统标清视频相比,高清在视频质量上有了质的飞跃,但就目前而言,正如“罗马不是一日建成的”,要实现监控系统高清呈现,也并非一蹴而就之易事。“从视频监控系统中模拟到数字的转化中,从CIF到D1是一个重要的阶跃,从效果来看数字化视频影像也可与模拟视频影像相当,就是达到标准清晰度,即‘标清',但是存储和传输的增加几乎是翻两番。若要达到高级清晰度,即‘高清',其分辨率从720P到1080P@30fps或1080P@60fps,由此则需要付出很大的投入和代价,因此需要特别关注数字视频编解码芯片技术的演变和实际应用。”谈及编解码芯片技术的演变,TI 公司DSP业务拓展经理郑小龙如是说。
不过,即便前路再坎坷,却依旧阻挡不了芯片厂商在高清编解码征程上的捷步迈进。当前,除了海思的Hi3520可实现1080P高清编解码外,TI的TMS320DM6467、富瀚微的FH8735 和FH8736以及升迈的GM8180等都皆已杀进高清“名人堂”。
当然,市场上目前主流产品仍然是标清,标清和高清将来仍会长时间共存。为此,芯片厂商在追求高清编解码时,并没抛弃标清,而是坚持两手抓。Techwell即是一个很好的例证,据Intersil公司主管软件工程师钱团结透露,Techwell着手从两方面进行了标清芯片升级:一方面清晰度升级。将清晰度从D1升级到支持960H格式,如TW2809成功地从D1升级到支持960H,即以前端TV解码芯片TW2960+TW2809系统方案为例,即给用户带来了模拟高清的享受;另一方面是集成前端TV解码器,将前端的TV解码器嵌入到现有的编解码芯片。即将推出的TW5866在TW5864的基础上,包含了8路TV解码器,既增加了系统的稳定性又降低了产品的价格。
而另外一些芯片厂商在平台的继承性上给予深入重视,并注重全面挖掘原有芯片的潜力。以TI为例,在IP网络摄像机的应用中,其DM365虽说目前已经广泛普及,但仍改芯片为ARM9集成视频协处理器并集成有ISP的单片系统,可以支持从D1 到720P分辨率,只是主频不同,而管脚和软件完全兼容。这样的兼容性还延续到DM368,则可以支持1080P@30fps。在此全兼容的平台中还有DMVA1和DMVA2两个智能摄像机平台,前者支持标清而后者支持高清。未来高清1080P@60fps的平台将延续同样的体系结构,只是ARM提高到A8,视频协处理器升级,ISP性能增强。同时还会有支持1080P 分辨率的DMVA3智能摄像机平台推出,并沿用原有的应用软件。特别需要强调的是,TI的IP网络摄像机解决方案都支持ONVIF和PSIA协议。[nextpage]
HD-SDI芯片解决方案
关于未来高清摄像机的发展趋势,各种技术争奇斗艳,各显神通。其中基于数字非压缩信号的HD-SDI延续模拟摄像机的特色,也是高清发展的一个方向,可以有机地同IP高清进行结合。
在HD-CCTV 良好发展前景下,富瀚微率先提供了HD-SDI的板卡方案。高清的图像质量至少3 倍于D1 的图像分辨率,此时,富瀚FH8735的 优良编码性能为HD-SDI的原始图像压缩以及存储提供了强有力的保证,且PCI/PCI-E 总线可以根据实际应用来选择,对于对预览要求较高的应用,PCI-E 的带宽足以保证高清原始码流传输至HOST 端进行后处理。同时也为智能分析提供了高质量原始图像的保障。这也同时验证了一位业界人士的看法,SoC不是简单的一个芯片,而是一个解决方案。
而在采访中,TI的郑小龙向笔者透露, TI新成立的SVA 事业部可为业界提供更广泛的易于实现的专业和广电视频应用,其中就包括SDI产品。而TI现有了SDI线路驱动和均衡产品,可帮助视频监控客户去获取更长线路和更低的功耗,其更长线路支持总是视频监控客户所最为关心的。TI的LMH0394提供业界最长的,可达到200米高清并且数据率达3Gbps,或 400米标清,并且最低功耗为115mW典型值。SDI视频信号的编解码需要有强大的处理器来处理,DM81xx平台也可实现这种多路的高清系统。
同样,针对HD-SDI的需求,Techwell也推出基于TW2809 的HD-SDI PC DVR广播级高清产品,支持720P/1080i/1080P。
编解压缩:锤炼过硬技术
“百万高清”概念的腾空出世,在带来前所未有的全新监控体验的同时,也让核心构建的芯片背上沉重的负担。“涉及到用于数字视频监控的编解码的芯片,首先关心的是视频压缩的格式,目前主流为H.264,而为兼容以往系统,对MPEG4或者MPEG2的支持也有所需求。为面向未来系统,也有对SVAC格式的支持考虑。当然,结合中国自主产权系统的独特要求,能否支持SVAC也提到了议事日程。其次,需要关心的就是支持多少通道标清的能力,甚至多少通道高清的能力。市场上支持多路H.264的处理器也有不少,但是多是单片支持八通道D1编码能力,迫切期待单片支持十六通道D1编码能力,或者是多通道高清编码。对于通道的支持不仅只限于编码,还有多通道解码的需求,以及多通道辅流编码的需求。”TI的郑小龙概述道。
除了解码的兼容性和编码的压缩质量的基本要求,高速的系统架构、内存频宽、高效率的DMA控制器,甚至多核的平行处理也是检验SoC效能是否优秀的关键指标。不过,在日益旺盛的需求召唤与高速运转的技术引擎驱动下,摆在编解码芯片上的种种困惑也将迎刃而解。
从Hi3512、Hi3515到最新的Hi3516,海思提供了一套完整的高清解决方案。以Hi3512为例,该方案基于ARM9处理器内核以及视频硬件加速引擎的高性能通信媒体处理器,具有高集成,可编程,支持H.264和MJPEG等多协议的优点,其中视频处理单元可以支持H.264 Main Profile、Baseline、Profile、MJPEG、JPEG等多种协议实施编解码;支持1.3M Pixels@30fps,支持最大300万像素的JPEG抓拍;视频处理单元还可以支持双码流编码等功能。Hi3512解决方案丰富的外围接口方便满足设备规格需求,能有效降低整机BOM成本。
当然,在编解码性能PK上,国际大厂牌自然也不是吃素的,如TI近期问世的DM8168。来自TI的资料称,DM8168数字视频H.264编码能力已经飚到三通道1080P@60fps高清,不仅如此,还可支持MPEG4、MPEG2、VC1等视频压缩格式,还有能力支持SVAC中国自主知识产权标准的能力。正是基于强大和灵活的数字视频协处理器,采用软件可编程的实现原理,DM8168还可采用单片实现六通道高清1080P@30fps或720P@60fps编码、十二通道高清720P@30fps编码、三十通道D1编码,支持各种高清或标清数字视频监控系统的所有编码要求。而解码和编码也具有相同的能力,这就使之既可以用于开发多通道DVR和DVS,又能开发多通道NVR,且都支持高清应用。此外,DM8168还嵌入强大的主处理器ARM Cortex A8,主频可达1GHz,可以作为产品的核心处理器,运行高速实时操作系统,支持千兆以太网络、SATA硬盘接口、PCIe高速总线接口等。由于集成了性能强大的视频处理子系统,可以实现反隔行处理和图像增强和降噪功能,并且支持三个独立图形层和线性缩放及三个高清或标清的OSD等功能。又由于集成有3D图形加速器,产品可支持三维菜单界面,为数字视频监控产品界面带来全新改观。
为了满足不同网络带宽和显示设备的需求,早先IP监控系统往往采用多码流同时编码的方式,这无疑增加了数据吞吐量。ADI资深DSP应用工程师Harry Wei表示,H.264 SVC(Scalable Video Compress,可扩展视频编码)提供了一个有效的解决办法。利用可扩展编码,编码器只需要提供一个码流,人们可以选择需要的层级(分辨率、帧率等等)进行传输、存储和解码,节约带宽和存储设备,充分利用原有的非高清显示器。[nextpage]
低码率保障网络畅通
当前,我国宽带网络情况好坏不一,很多地方带宽严重不足,某些网络运营商能提供的实际带宽只有100~200兆,真可谓“宽带不宽”。与此同时,用户在使用中对成本也有一定考虑,所以高清的体验再好,用户也不愿在目前的成本下使用太高的码流来实现。由此,芯片厂商不得不对高清摄像机的编码效率进行重新评估,为此也做了不少“功课”。据NXP混合信号ASSP及Jennic低功率RF方案产品事业部资深产品市场经理陈石明介绍,相比于市场上其他平台需要在1080P@30fps时,把码率设定为4-6Mbps,而NXP ASC88xx平台2Mbps即可实现满意的编码性能,这极大地节省了网络带宽和存储空间。而在同等码率条件下,ASC88xx平台具备更高的编码品质。
与NXP类似,海思居于对H.264的压缩方案的成熟经验,充分考虑到了视频的迟延和网络打包的方便性,在其Hi3512中也给出了2M带宽传输720P实时解决方案。
智能分析火热抢眼
此外,对高清编解码芯片智能视频分析的呼声也越来越高。“高清编解码芯片需要更高级别的SoC化来增加去隔行、3D降噪、视频增强等图像处理和智能识别能力,以及网络化,用以满足DVR和NVR所需功能。且单个芯片需具备更多路1080 60p编解码能力。”Intersil公司主管软件工程师钱团结说。就此看来,高清编解码芯片并不仅止步于高清。海思监控产品线总监杨锋国也表示,仅有高清还远远不够,下一步的重点就是考虑如何提升监控效率——智能监控。智能监控算法提升高清监控效率。随着监控摄像头的增多、金融犯罪手法多样化,智能监控势在必行。智能要聚焦于业务可视化管理,未来智能算法进一步提升内容分析可靠性,从监控辅助手段升级到支撑业务流程变革。而且将推进更多数字视频监控中的增值应用,如智能图像识别和实时视频分析,以及车牌识别、人脸识别、行为分析等。
针对数字视频监控的智能化需求,通用可编程的高速处理器是最为理想的平台。据TI郑小龙介绍,TI的DSP已为众多的开发者所应用,实现嵌入式智能分析系统。在DM8168平台中已集成了一个C674x核心的DSP,并可以达到主频1GHz,而全部资源都可以用作包括智能视频分析的增值性功能。
NXP的陈石明也表示,除了2011年中已经发布的ASC8851/52/48/49/50外,2011年底及2012年初,还将发布ASC886x系列高性能带智能的IPCam平台、ASC889x codec系列、ASC887x系列。
全面系统整合 云架构模式
电子系统发展宗旨之一就是最大限度地简化电路设计,达到整体产品系统的可靠性、精度、稳定等品质指标。然而,刚登上前台的SoC距离这一目标尚有一段距离。“从硬件方面看,高SoC化需要的多个CPU核的协调处理,大量的DMA操作以及海量的内存数据管理,虽然满足了更多路的编解码处理性能,但也给编解码芯片带来了更高的复杂度和难度,同时稳定性问题无可避免;从软件方面看,底层驱动和SDK需要提供更多的接口来满足上层AP的需要。” Intersil的钱团结说。实际上,一个芯片的成功与否,不但要求芯片硬件的性能稳定,更需要功能强大的驱动和SDK的配套支持。
TI的郑小龙也表示,目前市场上不乏编解码芯片,但真正具有强大生命力的平台并不多。从MPEG4到H.264都不断有新的专用芯片推出,但大都不成体系,这就使得监控厂商的产品没有太大的增值空间,至于太多的同质化产品的出现和竞争将不可避免地危害到行业的长远发展。为了加强数字视频监控企业创新力度和深度,投入具有发展潜力的体系平台尤为重要,特别是以此作为坚实的基础,可以不断地探索和完善数字视频监控的新技术和新应用。
虽然还面临诸多困难和挑战,但从技术走势看,面向安防市场的发展,全面系统整合仍然是未来的发展方向。“对于芯片而言,所有系统的单片化解决方案将是必由之路,而体系结构也必将为一致性。在统一的硬件系统之上,要具有强大而开放的主处理器和高速且通用的DSP核心。视频编解码的实现将采用硬件和软件结合的方式,这样才可以满足各种更新格式视频压缩和处理技术的需要。各种显示、传输和交互接口性能和功能都将继续高度集成和提升。未来的数字视频监控系统开发的大量工作将集中在软件的系统开发。”郑小龙的这番阐述与许多业内人士的心声同调。
而NXP的陈石明则为未来编解码模板定位:从编解码芯片看,超多路高清编解码性能的芯片是未来趋势。且编解码芯片中集成前后端模块也是未来方向之一。而随着IP网络化功能的需求加大,未来编解码芯片支持云架构技术也可预见。