H.265標準規格出爐　FPGA搶攻FHD監控商機

現場可編程閘陣列(FPGA)業者正積極圈地智慧安全監控市場。隨著國際電信聯盟(ITU)於2013年1月底正式發布新一代視訊編碼標準--H.265(又稱HEVC)相關細節，FPGA元件商已計畫率先導入此一新技術，期利用FPGA可編程的優勢，解決IP監控系統升級全高畫質(Full HD, FHD)所面臨的影像壓縮技術挑戰。目前，各家FPGA供應商皆已加速投入相關產品研發，提前卡位市場商機。

H.265視訊編碼技術助陣　FPGA商強攻高階安控市場

圖1　Altera亞太區工業市場開發經理江允貴指出，拜H.265視訊編碼標準通過所賜，FPGA元件可望擴大智慧安控市場滲透率。

Altera亞太區工業市場開發經理江允貴(圖1)表示，隨著監控系統影像解析度愈來愈高，現今最常使用的H.264影像壓縮標準已開始面臨技術瓶頸，尤其在需要每秒60張1,080p畫素以上畫面傳送的安控應用中，更加容易因無法有效縮減超高畫質數據壓縮後所占的頻寬，而出現影像延遲與失真問題，因此產業界皆引頸期盼H.265技術可解決此一問題，遂吸引眾多晶片商開始加速進行此一新技術的產品開發，以滿足安控市場對高畫質監控影像的需求。

江允貴進一步指出，從目前ITU公布的H.265技術標準看來，其影像壓縮效能可望比H.264高出三倍左右，這意味著導入此一新技術的網路攝影機(IP Camera)能一次壓縮更多高畫質影像數據，並傳送至後端雲端運算中心或影像儲存主機，且不會造成網路頻寬壅塞，有助提升IP智慧監控系統管理效率。

然而，由於H.265標準正處於起步階段，未來ITU仍會針對標準內容進行微幅修正，因此最終版本在短時間內尚無法底定，對於諸如監控飛機起降與軍事演習等高階安控應用而言，若選擇等待成本較低的特定應用積體電路(ASIC)問世，將難以立即滿足其需求；而採用可編程特性的晶片則可輕鬆因應此一挑戰，遂成為Altera與賽靈思(Xilinx)等FPGA業者極力搶攻的市場商機。

江允貴認為，在追求高解析度影像的潮流推動下，未來H.265勢必將取代H.264成為安防視訊壓縮的技術主流，但目前此一技術標準礙於專利、授權費與成本考量等問題，至少須3年以上的時間才會有標準晶片問世，因此這段過渡時期將是FPGA供應商搶攻高階安控市場的絕佳時機。

有鑑於此，目前Altera與賽靈思皆已採用最新的28奈米(nm)製程積極開發適用於H.265技術標準的FPGA元件，讓須全天候運作的攝影機可降低功耗，同時提升影像處理效能，預估2013年底相關產品即可望問世。

另一方面，FPGA業者亦開始搶占系統單晶片(SoC)業者在中高階安控應用市場的地盤。隨著FPGA元件邁向SoC FPGA發展，網路監視器業者已可透過此一元件實現即時影像智慧分析，以因應高鐵、機場與軍事等安控應用需求。

智慧分析需求夯　SoC FPGA後市看漲

圖2　賽靈思亞太區新興業務拓展經理黃文傑認為，SoC FPGA將逐步威脅一般SoC在高階安控市場的地位。

賽靈思亞太區新興業務拓展經理黃文傑(圖2)表示，過去FPGA元件在監控系統中大多扮演前端訊號數據處理，再交付SoC進行影像壓縮的陪襯角色，但隨著FPGA開始將中央處理器(CPU)、數位訊號處理器(DSP)與周邊加速器高度整合後，全新的SoC FPGA已足以滿足高畫質影像處理需求，且可較傳統SoC更易實現客製化智慧分析功能，遂逐漸獲得高階安控市場青睞。

黃文傑進一步指出，特別是目前系統整合商為節省網路頻寬空間，已開始將智慧分析功能從原本的後端伺服器移至前端網路攝影機中，因此智慧分析演算法勢必得導入攝影機中才能實現主動式警報功能；而既有的SoC若不具備可編程的特性，則無法因應用戶隨時改變演算法程式的挑戰，因而推升SoC FPGA市場需求。

此外，從各家監視器設備業者下一代產品的影像畫質從720p畫素躍升至1,080p畫素看來，監視畫面已從過去的「可用」轉變為「可分析」。黃文傑解釋，實際上現今720p的畫質已相當堪用，但若要進一步執行精密的車牌、人臉等智慧分析辨識，則勢必要把畫質一舉提升到1,080p以上才能降低誤判率，而此一趨勢也同時助長SoC FPGA的市場需求。

為因應此一市場需求，賽靈思採用台積電28奈米高效能低功耗(HPL)製程，推出新一代SoC FPGA--Zynq-7045Z，此一解決方案整合兩顆安謀國際(ARM)Cotex-A9處理器與可編程邏輯元件，可提供監視器設備業者低功耗、低成本的影像處理解決方案。

據了解，Zynq-7045Z內含超過三十五萬個邏輯單元、十六個12.5Gbit/s序列收發器，並具備1334 GMAC的峰值DSP效能；其中，12.5Gbit/s的收發器可協助監控系統處理八個視訊串流，並能支援10G乙太網路，可在前端網路攝影機上實現傳送影片的應用。

黃文傑強調，SoC FPGA產品線主要鎖定在需要超高畫質與智慧分析的安控應用市場，例如飛機起降、軍事演習與高速鐵路，且較適用於新建置的智慧安控系統；FPGA元件則應用於一般監控系統中，可輔助SoC提升影像處理效率，適用於舊有的智慧安全監控系統，因此兩者聚焦的市場並無衝突。

在H.265影像壓縮技術以及智慧分析演算法陸續到位後，影像監控系統也開始具備三維(3D)應用功能，如藉由FPGA支援多重影像感測器的能力，實現3D影像處理技術，讓網路攝影機可提升豪雨、濃霧與沙塵等天候狀況的影像清晰度，並強化景深智慧分析，從而判斷物體距離攝影機的遠近。

導入高效能FPGA元件　3D影像智慧監控有譜

圖3　萊迪思汽車與工業市場行銷經理Kambiz Khalilian表示，利用FPGA可輕鬆打造3D監控系統。

萊迪思(Lattice)汽車與工業市場行銷經理Kambiz Khalilian(圖3)表示，導入3D影像監控系統，將能大幅度提升智慧分析的精準度，對於國土邊境安防監控的應用有很大的助益，目前已有許多國家開始考慮引進此一技術，而晶片商、智慧分析演算法供應商、設備業者與大型系統整合商(SI)也都在仔細評估建置的可能性。

Khalilian進一步指出，採用3D影像監控系統必須讓單一網路攝影機結合兩個以上的影像感測器，且由於要處理景深判斷與即時影像傳送，攝影機系統模組必須新增高效能影像訊號處理器、錄製儲存空間以及擴增傳輸頻寬，且3D影像擷取也會須要用到特殊的鏡頭，在技術難度上比一般網路攝影還要高。

此外，一般SoC晶片的影像訊號處理器架構難以與多重影像感測器結合，因此無法有效率進行影像3D化，更不用說再執行3D影像智慧分析，因此市場上需要一個可支援於多重感測器的晶片，以實現3D智慧監控應用。

Khalilian補充，透過FPGA可編程的優勢特性，開發人員能夠針對多重影像感測器設計出量身訂做的影像訊號處理架構，讓影像能夠從特殊鏡頭擷取後，經過多重感測器3D化，再由FPGA處理數據，最後交付給SoC進行影像壓縮。

儘管3D智慧監控系統能有效大幅提升網路攝影機的智慧分析效能，但打造此一系統的成本目前仍然相當昂貴，短期內只能在高階安控市場中實現。江允貴分析，在硬體方面，光是特殊3D鏡頭與感測元件就已占系統相當高的成本，且FPGA與SoC的效能也必須較一般晶片規格更高；在軟體方面，3D智慧分析演算法的開發難度也較一般車牌、人流等應用更高。

綜上所述，未來安全監控系統在新一代H.265影像壓縮技術、SoC FPGA晶片與智慧分析演算法陸續到位後，將可進一步實現3D影像監控應用，並大幅提升智慧分析精準度，兼具智慧化與高畫質等特性。