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基于不同图像压缩处理芯片的解决方案其特点何在?

在“数字监控专栏”开办的第一期里,我们首先把目光聚焦在视频图像数字信号处理芯片DSP上,它可谓是数字监控行业发展的源动力。目前,越来越多的国际芯片制造厂商已经开始将注意力投入到了安防行业,在提高产品的压缩性能、运算速度、联网功能,降低产品的成本上,厂商们各施其法,纷纷力争抢占未来安防市场的大好商机。\r\n那么,针对不同的DSP芯片,目前国内各主要DVR厂商的开发情况如何?他们是如何选择DSP芯片的?未来这些厂商们对DSP芯片又有哪些具体需求呢?……\r\n
资讯频道文章B


采取芯片复用策略,尽可能地调整产品的设计方案
作为一家专业的安防厂商,海康威视曾经采用过多种主流DSP和ASIC芯片来构建其产品线,比如Philips的TM1300/1500、TI的Dm642等芯片,并取得了优秀的市场业绩。目前海康威视主流产品都是基于TI的DM642 处理器,产品特点是在单颗DSP芯片上实现多通道的H.264编码技术,结合海康威视拥有自主知识产权的各层次技术平台,我们所提供的数字音视频及图像处理解决方案可提供高质量的图像压缩性能,以及较好的性价比、更强大的处理能力、更灵活的客户个性化定制、更全面的网络视频解决方案等。
选择一款芯片对厂家来说是非常重要的决策,我们不但要考虑芯片的主要处理能力、辅助处理能力、外设接口的功能、制造工艺、功耗、成熟程度、芯片的定价、综合制造成本、开发难易程度等因素,还要考虑芯片厂商的实力和后继发展能力,关注其芯片产品的路标计划。另外,还要考虑的是,采用该芯片方案能否在各产品线进行通用性开发,是否能尽可能的复用,成为多产品线的通用硬件产品平台。因此我们并不倾向于为压缩板卡和嵌入式DVR/DVS采用不同的芯片,而是采取复用的策略,尽可能地调整产品的设计方案,使各产品中使用的芯片尽可能的单纯。
对比目前的处理方案,我们希望能获得更强大的数字信号处理资源,视频的输入端口能更丰富,同时一些常用的图像处理功能可以协处理的方式提供,减少主处理器的运算开销,在视频输出端口方面能够更加灵活,可以方便地输出高分辨率的数字视频信号,对于低通道的嵌入式DVR/DVS产品,采用SOC方式的图像处理芯片会更加有吸引力。

嵌入式DVR要求主控处理器要便于开发应用程序
金鹏当前产品的基础平台是Philips PNX系列的DSP,该系列DSP接口较丰富,开发环境友好,可作为板卡与嵌入式DVR的共同平台。金鹏基于该系列DSP实现了自主知识产权的编解码算法,该算法具有大小可裂变的宏块、更高的搜索精度,并采用了Deblocking技术以获取更高的画质;同时,在码流控制和低照度场景编码等方面,还根据安防行业的特点做了针对性的改进。
在选择图像处理芯片时,首先要考虑该芯片的处理能力及相关接口能否满足产品设计的需要,其次是看是否提供了可用于图像处理的协处理器及其功能是否强大、厂家的规模、产品的成熟度稳定性等。
由于板卡和嵌入式DVR产品的侧重点是不同的,因此,在编码主芯片的选择上侧重点也必然存在一些差异。如:板卡对各种总线接口的要求较高,而嵌入式DVR则不用考虑,如PCI接口;在设计嵌入式DVR时,必须考虑编码用的芯片能否同时当系统的主控芯片,板卡则无这一方面的考虑;嵌入式DVR在编码、存储的基本功能上,还需要具备预览、文件管理、网络传输、WEB访问、485接口、USB等应用层的功能,这就要求主控处理器要便于开发应用程序,且与编码芯片之间要具有优异的数据通信能力,在越来越多的应用压力下,多核处理器将成为一个趋势。同时,随着细分目标市场、视频编码标准、智能监控技术、网络化、高清晰度等行业趋势的发展完善,结合到芯片的选型上,则最终落到芯片自身的处理能力、架构、开发环境等方面,归根到底还是研发投入的问题。


必须根据实际需求选择不同性能和性价比的DSP来进行开发
2001年,图敏在国内率先推出了基于Philips DSP技术的MPEG4视频编码卡和嵌入式硬盘录像机。我们在Philips DSP平台上开发的基于Psos的操作系统,其最大的优势是成熟可靠、实时性强,我们在单芯片主控方案上,创造性地完成了许多底层驱动接口和上层应用功能,如硬盘驱动、网络驱动、USB驱动、文件系统应用、Web Server、图形界面等,实现了方案的最优性价比。
之后,我们又在国内首家开发了基于Equator DSP的解决方案D1视频编码卡和视频服务器,同时我们把这些DSP技术方案运用在PC式和嵌入式产品中。基于Equator DSP的解决方案最大的优势是编码运算能力强大,可完成高质量的D1编码和双码流编码,如我们现在产品在高端的D1图像质量上在业界处于领先水平就归功于DSP能运行我公司的核心编码算法。而且其最新开发包支持Linux操作系统,便于扩展各种接口和功能。在这方面,目前我们的视频服务器产品充分利用了这个优势,快速开发了大量先进的功能,如标准流媒体服务、USB2.0接口、无线网络接口、pppoE协议及DDNS协议应用等,充分满足了用户需求。
最近几年,朝着音视频压缩方向发展的芯片公司越来越多,很多公司都推出了自己的DSP来适应市场。其实每款DSP都有各自的特点,如多路数处理能力、网络传输能力、高运能速度等,这就要求我们必须根据实际需求,如网传、高清编码、智能功能等的不同,选择不同性能和性价比的DSP来进行开发。

PC式和嵌入式产品在视频处理芯片的选择上主要是看对芯片开发平台的熟练应用程度
飞利浦PNX1500是一款媒体处理器,它基于一个功能强大的、高度并行的32位处理器内核(TM3260),采用5级流水结构,内核在执行视频处理任务时具有较高的效率。PNX1500还包含几个固定功能硬件加速器和专用外设器件,主处理器内核处理压缩等复杂的视频任务,系统设计人员可以对该内核进行编程,提供系统的整体效率。
正是利用PNX1500在视频方面的独特性,北京汉邦高科开发出了高性价比的音视频压缩产品。它充分利用了PNX1500高速的CPU处理性能和功能强大的音视频硬件处理单元,实现了对多路音视频的实时压缩,完全不占用主机资源,图像分辨率支持CIF、Half D1和Full D1。产品采用了目前最优化的H.264压缩算法,压缩码流的控制有了很大的提高。图像采集和预处理均采用了目前最新的图像处理技术,图像质量有了明显提升,色彩还原更加真实,产品功耗很低,长时间工作可不受温度的影响,稳定可靠性高。目前,汉邦高科可以完成在一颗芯片上4路CIF的音视频实时压缩和8路CIF的非实时压缩产品。
针对PC式和嵌入式产品来讲,在视频处理芯片的选择上不会有太大差异,主要是看各自对芯片开发平台的熟练应用程度。在芯片的选择上,我们会考虑:1、芯片的CPU结构是否适合算法的实现和芯片自身的处理性能。2、芯片的功耗是否能够满足长时间的稳定工作。3、芯片的外围功能接口是否完备,如PCI、IIC、IIS等。4、芯片的开发平台的是否完备。5、芯片价格等。

具有灵活性的、合适的音视频接口会使产品的开发周期和成本减少
我们选用的是PHILIPS Trimedia系列作为编码芯片和主控CPU。该系列是PHILIPS推出的视频专用处理器,并且公布了系列后续产品,包括1700系列、1900系列,该系列提供了比较全面的音视频接口,非常适合完成嵌入式DVR的应用。使用TRIMEDIA系列使得我们的产品设计非常统一、简洁,使用尽量少的外围芯片即可实现比较全的功能,在降低成本的同时,也提高了稳定性和可维护性。随着用户对界面和网络的要求,在新一代产品的研发中,我们将增加新的控制CPU来完成诸如鼠标、键盘接口,方便用户的操作,同时开发新的类Windows界面,使客户操作起来更为简单。
而一款图像处理芯片能否作为嵌入式DVR图像处理器,硬件方面关键要考虑两点:稳定性和灵活性。作为监控录像产品,稳定性是评价一个DVR产品最重要的性能指标,而具有灵活性的、合适的音视频接口会使产品的开发周期和成本减少;其它还要考虑的有:是否具有PCI接口、存储器的接口形式、功耗、主频等。在软件方面,关键因素是算法的实现,另外还要考虑支持什么样的操作系统等,虽然嵌入式操作系统更加专业和可靠,但是嵌入式操作系统中驱动程序的设计比较复杂,没有现成的驱动,一切都需要自己来开发,而在采用Windows或Linux操作系统的PC机驱动设计已经比较成熟和完善。


选择处理器的基本考量点在于是否具备高稳定性
武汉恒亿科技集五年在飞利浦Trimedia系列上的开发经验,依托PNX1500的灵活架构,根据不同的应用需求,推出了从CIF 到可配置不同宽高的2CIF、再到D1的编码卡和矩阵解码卡,所有的编码卡使用相同的开发包。
对于视频监控产品,选择处理器的基本考量点在于是否具备高稳定性,以及是否适合复杂的视频处理。Trimedia采用DSP+CPU结构,可同时满足在视频监控系统中所需要的视频输入、视频处理压缩和视频输出三部份。PNX1500上具备实现高数据吞吐率和复杂运算的能力,所以在300MHz的PNX1500上可从容实现H.264 D1实时压缩;其内核每个时钟周期可完成多达5条的VLIW指令,使用多达128个寄存器,这样就可以达到在有限的频率上产生比其它高频率DSP更加优秀的性能和应对复杂视频运算的能力;另外,作为专业的多媒体处理器,它还提供大量的MPEG4/H264多媒体指令。因此,可以看出只要合理的安排和使用资源,就可以使得无论是用在PCI插卡还是嵌入式DVR上,基于PNX1500的应用都能够稳定可靠。
此外,另一个考量点是图像效果。PNX1500采用MBS操作单元(基于内存的缩放单元),可独立并行完成多个视频缩放的任务,做到高精度,高效率,完全不占用内核资。特别是在嵌入式系统中,更可以使用PNX1500的QVCP(高质量数字复合单元)完成视频输出,获得更高的清晰度,且支持硬件复合文字图像的叠加。基于这种方式,恒亿嵌入式开发平台中的EGUI(嵌入式图形用户界面)输出,不但可以节省DSP资源,同时还可以获得良好的显示效果。


采用统一平台的战略,节约研发费用
PNX1700是Philips最新一代的多媒体SOC芯片。它在单芯片上集成了媒体处理、硬件缩放、Deinterlace、10/100Mbps自适应网络和显示增强等功能,性能是前几代产品(PNX1500、PNX1300)的两倍以上,同时保证了软件和硬件的兼容。
四川艾之普长期以来从事基于Nexperia PNX1xxx平台相关产品的研发,从最初PNX1300上的Mpeg4,到PNX1500上的H.264,具有丰富的经验。考虑到Philips在视频处理方面的优势和稳定性,不管是板卡、还是视频服务器、IPCam,我们都采用了统一平台的战略,既节约了研发费用,也能专注于某一平台的深入研究,以满足产品的稳定性、功能的强大性、升级的延续性。也正是基于以上原因,我们最终选择了Pnx1700作为新一代视服器和IPCam的开发平台。
和其它基于Arm+ASIC或ARM+DSP的方案相比,PNX1700将网络、视音频压缩功能等功能集成于一体,产品具有体积更小、功耗更低、更加稳定可靠等优势,高达500MHz的DSP核心,32MB DDR400内存通道,10/100Mbps自适应网络接口是目前所了解的视服器和IPCam最高的配置,可从容应对从CIF到D1格式的H.264压缩/网络传输。由于采用了H.264压缩算法,使得产品具有更好的图像质量,更低的带宽要求,且软件升级容易。另外,内置支持ARP、IP、UDP、TCP、MultiCast、DHCP、UpnP、DDNS、HTTPD等协议,同时支持强大的Client和Manager管理中心软件系统,为搭建大型的网络监控系统做好了充分的准备。

应对现有的音视频压缩算法做进一步的改进、完善,以适应不同场合的需求
目前德加拉以TI DM642为DSP平台,已经成功推出了多个系列的音视频压缩产品,包括AVE6800多路音视频压缩卡及配套使用的AVE8000解码卡、TVS100系列网络视频服务器和高清高速网络摄像机,这些产品充分利用了DM642的特点,并采用自主开发的算法,具有压缩比高、实时性好、图像质量佳等优点。同时,外围接口丰富的DM642使四路音视频的预览、压缩均可由一个芯片完成,无需专门的预览及四分割芯片,使得支持更多路数(48路或更多)成为可能;功耗低、发热量低等特点决定了整个系统的稳定性高;整个系统十分小巧,安装方便。
嵌入式产品(网络视频服务器或嵌入式DVR)与PC产品(音视频编解码卡)主要不同之处在于嵌入式需要操作系统的支持,而作为PC产品需要PCI接口与PC交互。嵌入式产品现在一般采用通用嵌入式处理器+DM642的方案,这样的产品充分利用通用嵌入式处理器扩展性好、升级灵活方便的特点,又结合了DM642强大的多媒体处理能力。
另外,目前的压缩卡对PCI-express尚有一些限制,未来可通过对预览方式的修改来解决;同时还应对现有的音视频压缩算法做进一步的改进、完善,以适应不同场合的需求。


DSP方案能够随着算发不断优化完善,从长远来看更具有竞争优势
图像压缩是DVR的核心处理部分,不同实现方案的选择往往直接决定了最终产品的特性。现在,一般而言对于DVR会有两种方案来实现图像压缩:一种是ASIC,另一种为DSP。采用ASIC方案优点在于开发简单,进入门槛低,投入少,能够较快的推出产品,缺点在于不够灵活,功能单一,无法不断更新。DSP方案则需要厂家具有算法开发能力,技术难度相对较大,但能够随着算法不断优化完善,新技术应用可以适时进行更新,从长远来看更具有竞争优势。
大立是专注于开发嵌入式DVR的厂家,为用户提供稳定可靠优质产品始终贯穿了产品设计过程中。在众多DSP方案中,我们采用了ADI BLACKFIN DSP方案,BF561/532处理器具有功耗低、发热小和处理能力强的明显优势,这些特点决定了其非常适合在嵌入式产品中的应用,符合产品长时间不间断连续工作的要求。大立在DVR设计中不仅在软件上注重模块化结构化设计,在硬件设计中也强调模块设计,画面分割、图像压缩、运动侦测等模块均在硬件上保证了彼此的独立性,极大地降低了彼此的藕合度,从而从构架设计上提高了产品稳定性。BLACK FIN图像压缩芯片能极好地满足这种设计要求,功能单一,但处理能力强大,能够支持从CIF到D1的图像压缩要求,同时价格上也有一定的优势,并且我们将积极开发多种平台技术来促使产品向多元化发展。
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