안전한 도시 건설의 필요성으로 인해 비디오 감시의 개발이 더욱 촉진되어 이 분야에서 FPGA의 적용도 촉진되었습니다.
특히 다중 채널, 고화질, 네트워킹, 고속 통신 인터페이스 및 인텔리전스에 대한 요구 사항이 기술 분야의 추가 발전을 촉진함에 따라 FPGA 기반 비디오 월 컨트롤러.
반대로 FPGA 칩 기술, IP 코어 및 참조 설계의 발전과 갱신은 비디오 감시의 발전을 촉진했습니다.
이제 단순히 DSP 프로세서나 ASSP(기성 칩)를 사용하여 고성능 시스템의 요구를 충족하기가 어렵습니다.
그러나 현재 프로그래밍 가능한 장치의 높은 집적도와 유연성, 낮은 전력 소비 및 넓은 작동 범위로 인해 가격이 계속 하락하고 있습니다. 따라서 프로그래머블 로직 게이트 어레이(FPGA)의 고유한 고성능 및 유연성이 사용됩니다. , 많은 영상감시 제품을 구성할 수 있습니다.
1.FPGA가 주목할만한 이유는 무엇입니까?
FPGA는 GPU 또는 CPU처럼 프로그래밍 가능하지만 추론 및 심층 신경망과 같은 병렬, 저 지연, 높은 처리량 문제를 목표로합니다.
FPGA에는 많은 이점이 있으며 그 중 가장 주목할만한 것은 속도입니다.
FPGA는 최신 CPU에 비해 느린 클록 속도로 실행되지만 순차적 명령 스트림을 실행하는 것이 아니라 근본적으로 동시적이며 데이터가 이러한 동시 작업 간에 최적으로 흐르므로 성능이 크게 향상됩니다.
애플리케이션이 기존 CPU에서 실행되는 동일한 코드에서 최대 100 배 더 빠르게 실행될 가능성이 있습니다.
FPGA에는 동시에 많은 작업을 수행하는 데 사용할 수 있는 수백만 개의 재프로그래밍 가능한 논리 블록이 포함되어 있어 병렬 처리 및 동시성의 이점을 제공합니다.
코드를 작성할 때 엔지니어는 동시에 실행할 수 있는 잘 구조화된 자체 포함 프로세스로 문제를 분해하여 이 병렬 아키텍처를 활용할 수 있습니다.
예를 들어 이미지가 동시에 처리되지 않으면 단일 작업자가 전체 이미지를 픽셀 단위로 처리합니다. 그러나 같은 이미지를 동시에 처리하면 여러 작업자가 동시에 처리하는 조각으로 쪼개지고 다시 합쳐집니다.
이는 프로세스를 더 복잡하지만 훨씬 빠르게 만듭니다. 들어오는 데이터를 최적의 방식으로 분리하고 작업자에게 효율적으로 배포한 다음 처리된 데이터를 수집 및 재조립해야 하며 이상적으로는 작업 파이프라인을 차단하지 않아야 합니다.
일반 CPU에서 여기에는 데이터가 메모리에서 푸시 및 풀링되고 프로세스가 현재 메모리 상태에 동의하는 데 비용이 많이 드는 프로토콜이 포함됩니다. 가장 큰 Intel CPU에도 18개만 있습니다.
코어. 이에 비해 FPGA에서는 데이터 흐름이 칩을 떠나지 않도록 설계할 수 있습니다.
수만 개의 동시 프로세스가 발생할 수 있으며 처리 타이밍이 최적화되어 처리량이
항상 최대입니다.
2. 지능형 영상 감시에 FPGA 적용
현재 IP 카메라의 해상도는 표준 화질 D1에서 고화질(1920×1080)로 점차 진화하고 있으며 로컬 실시간 압축을 해야 하므로 하드 압축만 사용할 수 있다. 다중 DSP 프로세서를 사용하는 경우 시스템 비용, 통합 및 전력 소비가 증가하여 사용자가 수용할 수 없습니다. 단일 칩 저가 FPGA 장치를 사용하면 성능이 설계 요구 사항을 충족할 수 없습니다.
그러나 단일 칩 고성능 Stratix 시리즈 FPGA 장치를 사용하면 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이 장치는 해당하는 구조화된 ASIC-Hard-Copy 시리즈 장치를 가지고 있기 때문에 비용을 1/10로 줄이고 전력 소비를 50%까지 줄일 수 있습니다. 따라서 이 FPGA 장치는 단일 채널 고화질 IP 카메라로 사용할 수 있습니다.
다채널 영상을 국부적으로 모니터링하기 위해서는 일반적으로 다채널 비디오 데이터를 다중화하고 영상을 분할 및 스케일링할 필요가 있다. 따라서 표준 CCIR656 형식 데이터는 처리를 위해 비디오 다중화 스케일링 분할 부분으로 보내져야 합니다.
FPGA 장치의 풍부한 메모리 자원은 비디오 다중화 및 스케일링 알고리즘에 필요한 라인 버퍼로 사용하기에 더 적합하므로 이 부분은 화면 다중화 및 스케일링 및 분할 기능을 신속하게 실현할 수 있습니다.
그런 다음 다중 채널 H.264 D1+CIF 인코딩 부분으로 보내지며 FPGA 고유의 강력한 병렬 처리 기능은 H.264 알고리즘의 처리 속도 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 여러 ASSP 또는 DSP 프로세서 구현 방식과 비교하여 단일 칩 FPGA는 보다 안정적인 시스템 성능, 저렴한 비용 및 최고의 가격/성능 비율을 제공합니다.
3. FPGA를 사용하여 DSP 실시간 비디오 처리 기능 실현
ASSP 및 칩셋 솔루션과 비교할 때 FPGA는 설계 엔지니어의 실제 요구에 따라 다양한 수준의 유연성을 제공하고 기존 DSP보다 훨씬 더 나은 성능을 유지할 수 있습니다.
실시간 비디오 처리는 매우 높은 시스템 성능을 요구하므로 가장 단순한 기능을 가진 거의 모든 범용 DSP에는 이 기능이 없습니다.
프로그래머블 로직 장치를 통해 설계자는 병렬 처리 기술을 사용하여 비디오 신호 처리 알고리즘을 구현할 수 있으며 단일 장치만 원하는 성능을 얻을 수 있습니다.
DSP 기반 솔루션은 일반적으로 필요한 처리 기능을 얻기 위해 단일 보드에 많은 DSP를 내장해야 하며, 이는 의심할 여지 없이 프로그램 리소스와 데이터 메모리 리소스의 오버헤드를 증가시킬 것입니다.
고대역폭 비디오 데이터를 전송하고 무선 채널과 같은 매우 좁은 전송 채널에서 적절한 서비스 품질(QoS)을 유지하는 것이 극히 어렵기 때문에 설계자는 FPGA 구현을 기반으로 오류 수정, 압축 및 이미지 처리를 개선하기 위해 최선을 다하고 있습니다. . 기술.
MPEG-4 알고리즘의 핵심은 DCT(Discrete Cosine Transform)라는 연산입니다. DCT 부분은 표준화되었으며 FPGA에서 효과적으로 구현할 수 있습니다. 많은 전용 MPEG 디코더도 이러한 부분(예: 움직임 추정 모듈)을 사용합니다. FPGA.
FPGA를 재구성할 수 있기 때문에 장치를 쉽게 새로 고칠 수 있고 새로운 알고리즘을 개발 단계(구성 후 포함) 전반에 걸쳐 통합할 수 있습니다.
비디오 시스템의 또 다른 중요한 부분은 색 공간 변환입니다. FPGA 시스템 아키텍처는 애플리케이션 시스템의 알고리즘을 조정하여 최고의 성능과 효율성을 달성할 수 있습니다.
FPGA는 맞춤형 조정을 통해 가장 실용적이고 가치 있는 고효율 및 고효율 제품을 제공할 수 있습니다. 설계자는 DSP 클록보다 훨씬 낮은 속도로 지정된 기능을 실현하기 위해 애플리케이션 범위와 속도 사이에서 타협할 수 있습니다.
예를 들어, 중앙값 필터 애플리케이션에서 DSP 프로세서는 알고리즘을 실행하기 위해 67 클록 사이클이 필요하지만 FPGA는 이 기능을 병렬로 구현할 수 있기 때문에 FPGA는 25MHz의 주파수에서만 작동하면 됩니다.
그러나 위에서 언급한 기능을 구현하는 DSP는 1.5GHz 주파수에서 작동해야 합니다. 이 특정 애플리케이션에서 FPGA 솔루션의 처리 용량은 17MHz DSP 프로세서의 100배에 달할 수 있음을 알 수 있습니다.
이미지 회전, 이미지 스케일링, 색상 보정 및 크로마 보정, 그림자 향상, 에지 감지, 히스토그램 기능, 샤프닝, 중앙값 필터 및 반점 분석 등 많은 실시간 이미지 및 비디오 처리 기능이 FPGA 장치로 구현하기에 적합합니다. 기능은 특정 응용 프로그램 및 시스템을 대상으로 하며 핵심 아키텍처(예: 2D-FIR 필터) 위에 구축됩니다.
4. FPGA를 사용하여 임베디드 시스템용 이미지 및 비디오 월 컨트롤러 구축
비디오 및 이미지 컨트롤러를 구축하기 위해 FPGA 디바이스를 사용함으로써 이미지 디스플레이 기술이 점점 더 많은 임베디드 애플리케이션에 도입되고 있습니다. 성능과 유연성의 완벽한 조합으로 인해 DSP 분야의 FPGA 애플리케이션은 점점 더 보편화되고 있습니다.
iSEMC 는 새로운 저전력 FPGA(Field Programmable Gate Array) 시리즈 비디오 월 컨트롤러를 출시하여 전력에 민감한 설계를 위한 다양한 저전력 프로그래밍 가능 솔루션에 대한 리소스를 더욱 확장했습니다.
새로운 FPGA 디바이스는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스에서 I/O당 최고의 전력 소비, 면적, 로직 및 기능 비율을 제공합니다. 따라서 소비자 전자 제품, 산업, 통신, 의료 및 테스트 응용 프로그램의 휴대용 전자 장치, 특히 I/O 집약적 메모리 버스 작동, 범용 I/O 확장, 시퀀싱, 인터페이스 변환, 저장, 인간-기계 인터페이스 터치 스크린 및 키보드 기술의 응용.