高清视频监控FPGA应用迅速打开 未来需更低功耗与成本

我们知道，通信领域历来是FPGA应用的传统主流市场，也是业界领先FPGA厂商倾力争夺的大市场。但是从2009年开始，随着百万像素高清标准(720p及1080p)在视频监控领域从小众走向主流，FPGA应用迎来了又一个广阔的市场空间。

FPGA视频监控应用迅速打开

以全国“平安城市”项目为代表的大量高清视频监控需求的高速增长，以及当时高清摄像机所必须的ISP芯片ASIC/ASSP还不成熟，给FPGA留出了施展其可编程优势的空间和舞台。

在2009年之前，视频监控还处于标清(D1分辨率，40万像素)时代，摄像机使用的图像信号处理(Image Signal Processing，简称ISP)芯片，基本被索尼公司推出的一代又一代ASIC芯片组所垄断。高清监控需求的崛起，改变了这种局面，也给FPGA打造了宽阔的施展平台。所以说，FPGA在视频监控领域的应用，是随着高清视频监控系统的兴起而打开的。具有代表性的是，由于2010年上海世博会的召开，上海浦东世博会高清监控项目，需安装的高清CCD IP摄像机达到1万多台。在每台摄像机中，都需使用FPGA芯片。

FPGA在视频监控领域的应用空间就此被迅速打开，其主要原因是以全国“平安城市”项目为代表的大量高清视频监控需求的高速增长，以及当时高清摄像机所必须的ISP芯片ASIC/ASSP还不成熟，给FPGA留出了施展其可编程优势的空间和舞台。这是FPGA蚕食ASIC市场的一个典型事例。

总体来说，FPGA在视频监控系统中的主流应用包括：

一是用于高清摄像机的大运算量图像处理。这包括与常用摄像机SoC ASIC所集成的图像处理硬核相比，在功能和性能方面进行了差异化增强(例如去雾、防抖、图像非一致性校正等)的ISP设计、视频智能分析算法等。

二是CCD时序驱动信号生成。使用不同厂家的CCD图像传感器，需要设计不同的CCD驱动时序信号。

三是用于视频监控中心的高清数字视频矩阵切换和光纤视频通道接入。

灵活性与高密度运算是强项

FPGA可大规模并行的高密度运算、逻辑可编程的灵活性、超高带宽数据互连和可为内部提供高达4GBps以上的数据传输带宽使其具备无可替代的优势。

随着高清IP摄像机的不断成熟和快速普及，大量功能全面、性能优秀，同时嵌入了ISP、H.264视频编码、高性能ARM处理器和以太网接口的摄像机单芯片SoC ASIC方案，在监控市场上大量涌现。这些SoC供应商包括TI、海思、NXP等等。这些单芯片SoC ASIC凭借低成本、低功耗的明显优势，使FPGA在ISP领域的应用范围大幅缩小。这种情况一直持续到2012年下半年，在高清CMOS IP摄像机产品中尤为明显。

与这种趋势相抗衡的是，第一，对于高清CCD摄像机，FPGA的地位仍然不可动摇。由于驱动CCD图像传感器的时序信号具有自定义和灵活性的要求，FPGA不可缺少。

第二，视频监控领域的智能化趋势将大力推进FPGA在此领域的深入应用。高清视频监控应用，其数字化和网络化已逐渐成熟，现在正在向智能化快速迈进。高清IP摄像机的智能化，提出了包括各种人、物体和文字的检测、识别和提取，目标行为分析和统计等等需求，都需要巨大的运算量。由于安防系统对关键事件的快速发现和响应的高要求，这些运算都必须在短时间内完成。单位时间内的高密度运算，正是FPGA的强项所在。

在视频监控领域，FPGA用来战胜ASIC或者SoC所依靠的优势主要有：

第一，可大规模并行的高密度运算;

第二，逻辑可编程的灵活性;

第三，大量3.125Gbps或以上高速SERDES的超高带宽数据互连;

第四，嵌入了ARM A9处理器的FPGA，可以为其内部CPU和FPGA逻辑之间提供高达4GBps或以上的数据传输带宽。

在视频监控这个FPGA的新兴市场，FPGA和ASIC/ASSP两种方案，依然是共存的，且竞争依旧激烈。从本质上看，两种方案都是凭借自己有别于对方的技术特色，取得竞争优势。

与ASIC相比，FPGA的功耗偏大、成本偏高的短板也是明显的。只是，随着半导体工艺的不断推陈出新，这些短板也在持续改进之中，我们需要以发展、变化的眼光去看待。

从宏观上看，随着半导体工艺的不断进步，与ASIC方案相比，FPGA的发展优势将越来越明显，成长空间也广阔。因为FPGA保持着两个根本优势：

第一，FPGA总是可以基于最新的半导体工艺进步，实现跨入下一代的升级。这是许多ASIC方案无法实现的。因为不断使用最新半导体工艺开发芯片，意味着开发阶段的投片成本以几何级数增加，这要求每一个以新工艺开发的ASIC项目，其市场销量也需要比上一代成倍增加，如此一来，能够持续与FPGA竞争、持续使用新工艺开发的ASIC项目只会越来越少。观察FPGA我们看到，由于FPGA是通用的可编程芯片，每次开发出新一代的FPGA，其投片费用其实是由全世界的FPGA用户分担的，所以在持续使用半导体新工艺方面没有障碍。

第二，由于FPGA的升级换代可以与半导体新工艺的发展同步，这给予了FPGA在性能、功耗等方面持续提升的空间，也给FPGA在性价比方面超越ASIC提供了可能。诚然，在不断演进的过程中，FPGA的成本下降趋势可能会逐步放缓或进入平台区。

基于FPGA的以上优势，我们有理由对FPGA的未来发展空间充满信心。

未来需更低功耗与成本

未来视频监控系统必将变得越来越复杂，对FPGA提出的要求基本方向没有改变，即更强的运算性能和IO带宽、更低的功耗、更低的成本。

当前的视频监控应用，对FPGA器件性能提出了更高的要求，包括：

一是更高的系统时钟频率。对于处理1080p分辨率、帧率为50fps/60fps的视频，FPGA硬件流水线的系统时钟至少需运行在148.5MHz或以上。还需要FPGA提供160MHz或以上的系统最高主频。

二是FPGA需经常承担单位时间内基于视频帧的高密度数据运算。不同的算法所需要读取的参考帧数量不同。这些高清视频帧数据的快速访问，需要FPGA提供足够大的DDR SDRAM读写有效带宽。每增加1帧1080p/50的YUV422数据读取，需DDR SDRAM控制器增加210MBps的有效带宽。还需要FPGA提供支持64-bit外部总线位宽，访问速率达到1066Mbps或以上的DDR3 SDRAM控制器硬核。

三是视频处理算法FPGA逻辑经常出现子模块的数据互连关系较为复杂，消耗的布线资源较多，而且产品成本的压力要求芯片内逻辑利用率很高，这些都要求FPGA在资源占用很满的情况下，具有较高的布通率。

未来视频监控系统必将变得越来越复杂，对FPGA提出的要求基本方向没有改变，即更强的运算性能和IO带宽、更低的功耗、更低的成本。

视频监控产品的价格定位，是在专用工业设备和消费电子产品之间，并且逐步向消费电子产品的价格区间靠近。所以，产品的成本压力是很大的。

对于摄像机产品，往往外观尺寸都较为小巧。此外，由于摄像机产品经常被安装在公路边、厂区、野外等露天场所，温度环境较为严酷。所以，为了达到较高的使用寿命和可靠性，对于产品内部IC的功耗也有严格要求，需尽量选用低功耗的芯片。

基于此，FPGA厂商在提高FPGA逻辑布通率方面就需要有大幅改进。现在，业界主流FPGA厂商Xilinx和Altera公司相继推出了基于C语言开发FPGA硬件逻辑的开发工具HLS(High Level Synthesis)和Open-CL，这将使开发FPGA算法逻辑的开发时间大幅缩短，仿真和调试效率大幅提高，最终也将大幅提高生产力。但是，软件或硬件工程师要充分掌握这些基于高级语言的硬件逻辑开发工具并非易事，他们需要对这些编译器硬件逻辑综合策略、FPGA硬件架构、FPGA设计理念等有充分的理解。海康威视公司作为一家视频监控领域的先进厂商，在把中低端产品做好做精的同时，将高端产品相对竞争对手实现差异化，在功能或性能上领先业界。

基于对FPGA相对优势的分析，FPGA更适合用于以下产品：智能交通摄像机、视音频光端机、视频综合平台等细分市场。