數位革命席捲視訊監控　FPGA乘勢進軍安防市場

但數位化浪潮對相關設備供應商而言，除了帶來新挑戰外，其實也創造出新的機會。以往在類比時代，製造商往往很難為他們自己的產品添加獨特功能，使其產品有別於競爭對手的產品。其結果是相似的攝影機和DVR產品充斥市面，供應商之間彼此殺價競爭成為常態。然而在數位化之後，視訊安全/監控原始產品製造商有更多可以揮灑創意的空間，將自己獨到的市場觀察轉化為實際的產品差異化設計。  

差異化設計往往需要額外的處理能力。目前的數位攝影機須仰賴DSP晶片、專門的特定應用標準產品(ASSP)或甚至特定應用積體電路(ASIC)來提供處理功能。從設備發展的歷史來看，上述方案已有可能無法妥善滿足設計人員的需求，例如以DSP晶片為基礎的產品設計經常會出現性能瓶頸，因為這些晶片通常用串列的方式處理圖像訊號；ASSP可以提供更多的處理性能，但往往是以設計的靈活性為代價；ASIC的性能表現則比ASSP更為強悍，但由於終端產品的出貨量有限，導致ASIC的開發費用攤提到每一顆晶片上後，其成本往往偏高，且開發時間過於冗長，不利產品快速上市。  

因此，設計人員需要一種既可以滿足不同的市場區隔，又能滿足從入門級到高階系統的性能需求的方案，藉此擴大元件的採購數量以壓低成本。現場可編程閘陣列(FPGA)高度平行化的架構優勢和可編程彈性，與數位視訊監控應用的需求正好不謀而合。  

視訊監控系統架構剖析

視訊監控系統可以粗分成攝影系統和錄影系統兩個子系統。圖1是一種典型的多攝影機的DVR視訊監控系統。視訊源來自CMOS視訊感測器、CCD視訊感測器或類比視訊源。專用的視訊介面轉換輸入的視訊流至普通格式，然後對不同的視訊流及音訊進行多工處理。圖像訊號處理單元則負責進行視訊預處理，其目的是降低雜訊和消除畫素缺陷。

圖1　多攝影機的DVR視訊監控系統

除了上述視訊監控系統的基本功能外，視訊分析技術在某些特定應用情境，如人/車統計、車牌辨識、人臉辨識等，也變成一項必備功能。視訊分析的功用在於檢測預定義畫面中的物件運動狀態。透過這項檢測功能，可以大幅減少視訊資料消耗的儲存容量。  

一個典型的多攝影機視訊監控系統總會產生大量資料。因此，如何適度降低儲存空間的消耗速度是非常重要的。除了利用視訊分析技術將沒有意義的空畫面濾除之外，視訊壓縮演算法如MPEG-4、H.264和MJPEG，對於降低儲存空間的消耗速度亦相當有幫助。目前在視訊監控市場上，H.264是一種相當流行的壓縮演算法，因為它能以MPEG-2或MPEG-4第二部分一半或更低的位元率提供良好的視訊品質。  

經過壓縮之後，資料可以通過硬碟驅動器介面儲存至視訊儲存伺服器，或通過乙太網路(Ethernet)發送。視訊資料傳送到顯示器之前通常是取自硬碟驅動器、並經解碼，以及一些圖像後處理，如縮放、色彩空間轉換或覆蓋應用。系統內建的記憶體則多半被用來當作視訊暫存器之用。此外，在某些關鍵系統中，視訊內容還須經過即時加密以確保資訊安全，唯有經過源/用戶身分驗證的設備或人員才能存取視訊監控系統。最後，整個系統中各個功能區塊的協調工作和任務排程則由處理器來負責。  

元件選擇應審慎評估應用特性  

圖2是筆者對設備製造商在評估該採取DSP、ASSP/ASIC或FPGA時應考量的因素，以及筆者對元件選擇的建議。當視訊監控設備製造商評估應採取何種元件架構來開發產品時，應從資料吞吐量、架構靈活性、預估的出貨規模和系統的外觀尺寸等因素來進行評估，選擇最適當的技術。

圖2　根據吞吐量、靈活性、量產規模和外觀尺寸因素進行選擇

沒有任何一種架構可以適用於所有情況，例如對低資料吞吐量的系統，使用DSP處理器是最具成本效益的選擇。而產品壽命期間的出貨量預估數字及硬體的靈活性要求，則會對設計者在ASIC/ASSP和FPGA元件之間的選擇產生深刻的影響。如果是硬體靈活性需求較低的系統，且製造商評估該產品的市場需求量可達一定程度以上，設計者宜採用ASIC/ASSP解決方案；硬體靈活性需求高，且市場需求量未達一定經濟規模者，則設計者應採用FPGA解決方案才是最理想的。  

設計人員進行元件選擇時，亦應將產品的外觀尺寸列為考量重點。常見的小型視訊監控攝影機由於對外觀尺寸的要求較嚴格，因此設計者可考慮使用非揮發性FPGA，因為這類FPGA毋須搭配外部記憶體來儲存FPGA的設計內容。  

不過，上述建議只是一個簡化的比較，因為隨著半導體技術進步，目前各種不同架構的元件往往會採用系統單晶片(SoC)的方式吸納不同元件的優勢，例如現在市面上已有許多DSP處理器已經內建ASSP的矽智財(IP)模組；ASSP/ASIC供應商所提供的解決方案有時也會整合通用處理器核心；向來以靈活彈性見長的FPGA，也有供應商提供內建硬核處理器和硬核IP的方案。因此設計人員評估元件時，所需考慮的條件變得更加複雜了。  

對於視訊監控系統，由於這些任務的時序性質，用DSP處理器亦可有效實現視訊分析功能和處理。然而在一些情況下，FPGA的加速功能有助於進行一些視訊分析功能，如運動檢測，面部識別等。ASSP/ASIC亦有其適用空間，如圖1中的H.264編碼器是一個資料吞吐量高，但對硬體靈活性需求低的大型功能區塊。利用ASSP或ASIC來實現這類功能區塊，是相當理想的。

但採用ASSP/ASIC經常會衍生出嚴重的成本問題，除非市場規模達到一定水準，否則設備製造商沒有理由投資開發這類元件。

FPGA提升設計可重用性

事實上，視訊監控系統是一個高度客製化的系統，相關設備製造商經常須視標案業主或系統整合商所開出的規格進行程度不一的設計修改。例如視訊監控系統的視訊/音訊介面及多工器，其硬體設計就應盡量保持彈性，以支援不同的攝影機類型和不同數目的攝影機。設備製造商經常會遇到要採用不同類型的攝影機來組合出視訊監控系統的情況，不同的視訊監控系統建置標案規模差異更是極端，有些極小型系統只須搭配一部攝影機，有些大型系統則是由數百部攝影機所組成。

此外，各種圖像訊號處理演算法，如二維有限脈衝響應濾波器(FIR Filter)、二維中值濾波器、縮放、邊緣檢測、伽瑪校正、透明混合(Alpha Blending)、白平衡、鏡頭陰影校正、缺陷畫素校正、去馬賽克、逐行掃描，彩色空間校正等。視訊監控攝影機可能內建上述各種演算法中的某幾種。因此元件的資料吞吐量設計也必須保持彈性。系統中攝影機的數量和視訊標準取樣率也會對元件的資料吞吐量需求造成影響。

至於在其他周邊功能和輸入/輸出(I/O)方面，設備的需求則可能更加五花八門，例如記憶體介面設計必須支援不同的記憶體匯流排寬度和不同的記憶體規格標準；硬碟驅動器介面、乙太網路介面、顯示器介面等I/O是否有必要實作，更須依照客戶需求進行靈活調整。

突破尺寸/功耗障礙非揮發性FPGA瞄準嵌入式攝影機/DVR應用

如上所述，設計一個視訊監控系統時，FPGA提供許多極佳的優點，如FPGA加速DSP處理的功能。非揮發性FPGA的出現，則使嵌入式攝影機/DVR系統等對外觀尺寸、功耗和電路板面積要求嚴苛的應用也有機會享受到FPGA所帶來的好處。

在這些應用中，對靈活性和可擴展性有很高的要求，但不能對滿意的功耗、電路板面積和便攜性約束有損害。例如，一些網路攝影系統有多個攝影機和感測器。即使電路板面積非常珍貴，仍然必須提供多個視訊流的通道。其他網路攝影機往往採用非常小的外殼，電路板接近MicroSD卡大小。這種系統的原始設備製造商所面臨的挑戰是把多個系統集成在盡可能少的晶片之中，同時還能滿足功能、外形和低功耗的要求。

目前市面上已有非揮發性的FPGA解決方案，可將靜態隨機存取記憶體(SRAM)FPGA的性能和靈活性與非揮發性的Flash技術優點結合在一起。且這類FPGA方案通常能支援多種記憶體與顯示器介面，並支援包括晶片支援18×18乘累加器，可用來實現DSP功能。

對於各種視訊監控攝影機和DVR的應用，FPGA的硬體靈活性、平行處理能力及零非重複性工程費用等特性，可提供顯著的設計優勢。而非揮發性FPGA則把這些優勢也帶入嵌入式攝影機/DVR領域，當功耗、電路板面積、成本和整合度等因素非常關鍵時，非揮發性FPGA可以成為更具吸引力的替代方案。  

(本文作者任職於萊迪思)