Devido à necessidade de construção de cidades seguras, o desenvolvimento da vigilância por vídeo foi promovido e, portanto, a aplicação de FPGA neste campo também foi promovida.
Especialmente agora que os requisitos para multicanal, alta definição, rede, interface de comunicação de alta velocidade e inteligência promoveram o desenvolvimento do campo de Controladores de parede de vídeo baseados em FPGA.
Pelo contrário, o avanço e a renovação da tecnologia do chip FPGA, do núcleo IP e do design de referência promoveram o desenvolvimento da vigilância por vídeo.
Agora, é difícil atender às necessidades de sistemas de alto desempenho simplesmente usando processadores DSP ou chips de prateleira (ASSP).
No entanto, devido à alta integração e flexibilidade dos dispositivos programáveis atuais, bem como ao baixo consumo de energia e ampla faixa operacional, seus preços continuam caindo. Portanto, o alto desempenho e a flexibilidade exclusivos de matrizes de portas lógicas programáveis (FPGAs) são usados. , Para que possa construir muitos produtos de vigilância por vídeo.
1. O que torna os FPGAs notáveis?
FPGAs são programáveis como GPUs ou CPUs, mas são voltados para problemas paralelos, de baixa latência e alto rendimento, como inferência e Redes Neurais Profundas.
FPGAs têm vários benefícios, o mais notável deles é a velocidade.
Embora os FPGAs funcionem a uma velocidade de clock lenta em relação às CPUs modernas, eles são fundamentalmente simultâneos, em vez de executar fluxos de instruções sequenciais, com dados fluindo de maneira ideal entre essas operações simultâneas, resultando em um aumento líquido dramático no desempenho.
Existe a possibilidade de os aplicativos serem executados até 100 vezes mais rápido com o mesmo código executado em CPUs tradicionais.
FPGAs contêm milhões de blocos lógicos reprogramáveis que podem ser usados para realizar várias ações ao mesmo tempo, oferecendo os benefícios do paralelismo e da simultaneidade.
Ao escrever o código, os engenheiros podem tirar proveito dessa arquitetura paralela dividindo os problemas em processos bem estruturados e autocontidos que podem ser executados simultaneamente.
Por exemplo, quando uma imagem é processada não simultaneamente, um único trabalhador processaria a imagem inteira pixel por pixel. Mas quando a mesma imagem é processada simultaneamente, ela é dividida em partes que são processadas simultaneamente por diferentes trabalhadores e, em seguida, remontadas.
Isso torna o processo mais complexo, mas muito mais rápido - os dados recebidos devem ser divididos de uma maneira ideal, distribuídos de forma eficiente para os trabalhadores e, em seguida, os dados processados coletados e remontados, idealmente sem bloquear o pipeline de trabalho.
Em uma CPU normal, isso envolve dados sendo empurrados e retirados da memória, e protocolos caros para processos concordarem sobre qual é o estado atual da memória. Mesmo as maiores CPUs da Intel têm apenas 18
núcleos. Em comparação, em um FPGA, o fluxo de dados pode ser projetado de forma que nunca saia do chip.
Podem ocorrer dezenas de milhares de processos simultâneos, e o tempo do processamento é otimizado para rendimento
é sempre máximo.
2. A aplicação de FPGA em vigilância por vídeo inteligente
No momento, a resolução das câmeras IP está evoluindo gradualmente da definição padrão D1 para a alta definição (1920 × 1080), e a compactação local em tempo real deve ser realizada, portanto, a compactação rígida só pode ser usada. Se vários processadores DSP forem usados, o custo do sistema, a integração e o consumo de energia aumentarão, o que é inaceitável para os usuários; se um dispositivo FPGA de baixo custo com um único chip for usado, o desempenho não atenderá aos requisitos de design.
No entanto, se um dispositivo FPGA da série Stratix de alto desempenho com um único chip for usado, o requisito pode ser atendido. Como este dispositivo tem um dispositivo da série ASIC-Hard-Copy estruturado correspondente, ele pode reduzir ainda mais o custo para 1/10 e reduzir o consumo de energia em 50%. Portanto, este dispositivo FPGA pode ser usado como uma câmera IP de alta definição de canal único
Para monitorar a imagem multicanal localmente, geralmente é necessário multiplexar os dados de vídeo multicanal e dividir e dimensionar a imagem. Portanto, os dados do formato CCIR656 padrão devem ser enviados para a parte da divisão de escalonamento de multiplexação de vídeo para processamento.
Os abundantes recursos de memória em dispositivos FPGA são mais adequados para uso como o buffer de linha necessário para a multiplexação de vídeo e algoritmo de escalonamento, portanto, esta parte pode realizar rapidamente as funções de multiplexação de tela e escalonamento e segmentação.
Em seguida, ele é enviado para a parte de codificação H.264 D1 + CIF multicanal, e os poderosos recursos de processamento paralelo inerentes ao FPGA podem atender aos requisitos de velocidade de processamento do algoritmo H.264. Comparado com vários esquemas de implementação de processador ASSP ou DSP, um FPGA de chip único oferece desempenho de sistema mais estável, menor custo e a melhor relação preço / desempenho.
3. Use FPGA para realizar a função de processamento de vídeo em tempo real DSP
Em comparação com as soluções ASSP e chipset, os FPGAs podem fornecer diferentes níveis de flexibilidade de acordo com as necessidades reais dos engenheiros de projeto e manter um desempenho significativamente melhor do que os DSPs tradicionais.
O processamento de vídeo em tempo real requer um desempenho de sistema extremamente alto, portanto, quase todos os DSPs de uso geral com as funções mais simples não têm essa função.
O dispositivo lógico programável permite que os designers usem tecnologia de processamento paralelo para implementar algoritmos de processamento de sinal de vídeo, e apenas um único dispositivo pode atingir o desempenho desejado.
As soluções baseadas em DSP geralmente precisam incorporar muitos DSPs em uma única placa para obter os recursos de processamento necessários, o que sem dúvida aumentará a sobrecarga dos recursos do programa e dos recursos de memória de dados.
Como é extremamente difícil enviar dados de vídeo de alta largura de banda e manter a qualidade de serviço (QoS) apropriada em canais de transmissão extremamente estreitos (como canais sem fio), os designers estão empenhados em melhorar a correção de erros, compressão e processamento de imagem com base na implementação FPGA . tecnologia.
O núcleo do algoritmo MPEG-4 é uma operação chamada Discrete Cosine Transform (DCT). A parte DCT foi padronizada e pode ser implementada com eficácia em FPGA. Muitos decodificadores MPEG dedicados também usam essas peças (como módulos de estimativa de movimento). FPGA.
Como o FPGA pode ser reconfigurado, o dispositivo pode ser facilmente atualizado e novos algoritmos podem ser integrados durante a fase de desenvolvimento (incluindo após a configuração).
Outra parte importante do sistema de vídeo é a conversão do espaço de cores. A arquitetura do sistema FPGA pode ajustar o algoritmo do sistema de aplicação para obter o melhor desempenho e eficiência.
O FPGA pode fornecer os produtos mais práticos e valiosos de alta eficiência e alta eficiência por meio de ajustes personalizados. Os projetistas podem se comprometer entre o escopo da aplicação e a velocidade, de modo a realizar a função especificada em uma taxa muito mais baixa do que o clock DSP.
Por exemplo, na aplicação de filtro mediano, o processador DSP precisa de 67 ciclos de clock para executar o algoritmo, enquanto o FPGA só precisa trabalhar na frequência de 25 MHz, porque o FPGA pode implementar essa função em paralelo.
Mas o DSP que realiza a função acima mencionada deve funcionar na frequência de 1.5 GHz, pode ser visto que nesta aplicação em particular, a capacidade de processamento da solução FPGA pode chegar a 17 vezes do processador DSP de 100 MHz.
Muitas funções de processamento de imagem e vídeo em tempo real são adequadas para implementação com dispositivos FPGA, incluindo: rotação de imagem, escala de imagem, correção de cor e correção de croma, aprimoramento de sombra, detecção de borda, função de histograma, nitidez, filtro mediano e análise de manchas, etc. as funções são destinadas a aplicativos e sistemas específicos e são construídas no topo da arquitetura central (como filtros 2D-FIR).
4. Use FPGA para construir controladores de imagem e vídeo para sistemas embarcados
O uso de dispositivos FPGA para construir controladores de vídeo e imagem está fazendo com que a tecnologia de exibição de imagens entre cada vez mais em aplicações embarcadas. Devido à combinação perfeita de desempenho e flexibilidade, as aplicações FPGA no campo DSP estão se tornando cada vez mais comuns.
iSEMC lançou uma nova série de controladores de vídeo wall programáveis de campo de baixa potência (FPGA), expandindo ainda mais seus recursos para uma ampla gama de soluções programáveis de baixa potência para projetos com consciência energética.
Os novos dispositivos FPGA fornecem as melhores taxas de consumo de energia, área, lógica e função por E / S em dispositivos lógicos programáveis. Isso o torna a escolha ideal para dispositivos eletrônicos portáteis em aplicações de eletrônicos de consumo, industriais, comunicações, médicas e de teste, especialmente aquelas que requerem operações de barramento de memória com E / S intensas, expansão de E / S de uso geral, sequenciamento, conversão de interface, armazenamento, e A aplicação de tela de toque de interface homem-máquina e tecnologia de teclado.