视频处理芯片：数字监控技术变革的源泉 - 安防知识网

作为DVR、DVS、IP Camera等数字视频监控产品不可缺少的核心器件，芯片技术的每一个进步都为视频监控市场的发展带来福音。
文/刘爱华

近几年来，中国数字监控市场的迅猛发展令人瞩目。据A&S 2008年2月期刊所做的【2008年中国DVR市场调查】显示，2007年中国DVR产品内销部分的总路数突破800万路。这意味着不包括DVS、IP Camera等产品在内，仅DVR产品2007的市场规模就达到26亿人民币。可以想象，在中国数字视频监控市场之下，隐藏着的是一个多么巨大的芯片市场。

由于承担着视频图像的核心视频编解码处理工作，因此数字监控产业的发展与视频处理芯片技术的发展一脉相承。以DVR板卡及产品为例，从一芯单路、两路、四路发展到一芯八路技术，视频压缩算法从JPEG、M-JPEG、到MPEG-2、MPEG-4乃至占据当今市场主流的H.264，芯片产品的集成度在不断提升，对复杂压缩算法的编解码能力也不断得到增强。随着产品集成度的提升，单路视频压缩处理的成本也开始大幅降低，从而推动了视频视频监控技的产业化与规模化发展。

视频监控：芯片厂商新的利润角逐场

随着近3-4年来中国数字视频监控市场每年都以超过30%的比例增长，安防监控行业的需求逐渐明确，芯片厂家开始关注并主动推广视频监控这个潜力巨大的市场。由此，视频监控成为继工业自动化、消费电子、电话机等领域之外，芯片厂商又一个新的利润角逐场，吸引了越来越多的芯片厂商加入。

1999年左右，恩智浦半导体（当时为飞利浦半导体）PNX1300芯片开始在中国推广并得到大量应用，并一度占领中国视频监控领域绝大部分芯片市场版图。2003年，TI以所推出的通用数字媒体处理器TMS320DM642，正式大举进军中国数字视频监控领域，并且通过与中国最大的数字视频监控制造厂商海康威视公司的密切合作，一举发展为中国数字监控领域的主流芯片厂商之一。据相关业内人士透露，目前TI、NXP(恩智浦)、ADI在中国芯片市场名列前三甲，保守估计，他们约占到中国大陆视频处理芯片后端处理器市场85%的份额。2006年年底，台湾升迈科技公司领先推出整合兼容ARM core，而且速度达333/500MHz FA526 CPU和高清H.264/MPEG4/MJPEG codec及多项外围IP，研发出为数字监控量身打造的视频编解码单芯片SOC。

2004年，美国SPI公司特别针对视频监控应用而成立，并于2006年开始在中国市场上推广。谈到SPI为何专门瞄准视频监控领域，迈吉伦（美国SPI中国总代理）科技股份有限公司项目经理黄石华认为，相对于机顶盒、电话机等领域，安防市场的应用趋于成熟，需求比较很明显。只要产品性能表现好，就一定能抢占到市场。目前美国SPI公司正借助中国代理商的力量，从一些中小型客户着手，悉心培养自己的客户。2006年左右，海思作为全球率先推出H.264 SOC监控专用芯片的半导体公司进入到大家的视野之中。

据恩智浦半导体（NXP Semiconductors，由飞利浦创建的独立半导体公司）资深市场经理陈石明透露，目前在芯片市场，至少有25家厂商在竞争。可以预见，随着抢食者的增多，未来竞争将更加激烈。而随着电信运营商加大对安防监控市场的持续投入，网络监控在2007年开始发酵，台湾升迈科技产品市场企划处部长赖荣兴则预测，未来DVS、IP camera、NVR等网络监控设备的成长率将会倍增，从而将更加吸引芯片厂商加大对视频安防市场的投入。

DSP唱主角，与ASIC长期并存

在数字监控领域，以DVR产品为例，需用到的视频处理芯片包括前端A/D（模/数转换）芯片以及后端视频压缩运算处理芯片。目前，在中国视频监控市场，前端芯片部分，主流的芯片厂商如TI、NXP、ADI等都有相应的产品，而Techwell则凭借其产品较好的性能、较高的分辨率，在小讯号方面较强的处理能力，以及芯片的高集成度等优势，在中国市场上占据较高的份额。据TECHWELL市场总监程黎明透露，在前端处理芯片领域，Techwell目前占到90%以上的份额。目前他们已经和市场上主流的DVR厂家如海康、大华、恒亿、汉邦等形成密切合作伙伴关系。在后端视频运算处理芯片这一块，TI、NXP、ADI则占据着主要市场份额，为了保证视频监控产品的整体性能，TECHWELL与各后端芯片厂家之间都保持着较为密切的合作关系。

“视频的数字化应用在安防市场中发展非常迅猛，其中核心的视频处理起着举足轻重的地位。”TI通用DSP业务发展经理郑小龙这样认为。当前，数字视频的主要处理方式可以分为三种。其一为传统基于微机（PC）的软件处理方式，视频通过所插入接口卡输入并通过CPU处理，业内将其归为软压缩技术；其二为基于专用处理芯片（ASIC）的硬件处理方式；其三为基于高速数字处理器（DSP）的实时软件处理方式。由于ASIC和DSP所独立承担的数字视频压缩工作并不需要PC的参与，因此统称为硬压缩技术。着眼于视频安防市场的发展，TI郑小龙分析到，基于ASIC和DSP芯片的硬压缩技术由于可以提供更稳定的视频压缩性能和品质，其应用领域已大大超过软压缩技术。

目前市场上流行的后端视频处理芯片正是DSP和ASIC这两类平台，其中DSP均为通用媒体处理器，即以DSP为核心并集成视频单元和丰富的外围接口，DSP通过软件编程来实现视频编解码且能扩展特色化功能。ASIC是专用视频编码器，它会集成一些外围接口，通过硬件实现视频编解码，所开发出的产品功能较为单一且具有同质性。

“ASIC设计不象DSP平台那样容易规划，虽然厂商不少，但产品难以统一发展，因此缺少连续性。也许在某个阶段某个厂商能够推出一款叫得响的产品，但能够持续应用的时间和空间往往有限。通用DSP平台则不然，它不仅持续全面支持数字视频编解码的实现，而且将推进更多数字视频监控中的增值应用，如智能图像识别和实时视频分析，以及车牌识别、人脸识别、行为分析等。未来最有益于视频安防创新的平台还是DSP芯片，其中具有单片系统（SOC）类别的DSP将大显身手。TI通用媒体处理器DM642在视频监控市场上的成功具有典型意义，其前身就有采用通用DSP在网络摄像机、视频多媒体、视频高端处理应用的铺垫，其新生代就是以达芬奇为主导的SOC方案的推进。”TI郑小龙介绍说。

综合来看，ASIC与DSP芯片各具优势和特点。ASIC易于产品设计、方便使用，而且成本较低，但是由于很多功能以及算法都固化在芯片上，不够灵活，硬件设备厂家在做产品开发时容易受制于芯片厂商。而DSP由于采用软件编程，能够获得更大的灵活性和更强的高性能，因此在多种数字视频编解码标准存在的今天，占据了引领安防市场发展的核心平台地位。也因此，目前中国市场上的视频压缩处理芯片以DSP为主流，像是TI、NXP、ADI这些芯片厂家都是以提供DSP软件编程的芯片为主，而中国市场上主流的DVR、DVS、IP Camera厂家大都是采用DSP方案。与之相反的是，ASIC方案在台湾、韩国、美国市场应用比较多。

虽然目前DSP在中国市场占据主流，但不能因此就断言未来DSP将取代ASIC。从长远发展来看，DSP与ASIC都一直处于技术的不断更新之中。而从目前的市场需求来看，ASIC也仍然有它的存在价值。迈吉伦科技股份有限公司项目经理黄石华认为：ASIC非常适合研发实力不够或者需要快速实现量产化的客户，这种客户目前在国内很多，而DSP方案则更加适合高端应用市场。因此，根据不同的市场需求，他们都有各自的市场，并将长期共同存在。

SOC倍受关注

随着视频监控市场的规模化发展，用户对产品功能的需求以及产品规格逐渐固定，芯片厂家逐渐把握到视频监控的需求，并开发出一些专门针对视频监控的方案。以中国大陆的海思半导体以及中国台湾的升迈科技为代表的芯片厂商，基于DSP或ASIC芯片开发出整合度更高、更加适合视频监控需求的媒体单片系统SOC芯片方案。TI、NXP等DSP芯片厂商也纷纷推出了SOC。目前，除了TI、NXP、海思、升迈科技（台湾）之外，市场上还有映佳、士兰微电子等公司也提供SOC芯片。

SOC即媒体单片系统，例如TI的达芬奇平台。在这样的平台上，芯片厂家将部分功能固化在芯片上，而有些特别的功能需求，则由芯片厂商提供源代码给客户，由客户根据不同的应用进行二次开发。除此之外，SOC还有很多其他方面的优势，TI 郑小龙强调：“在SOC中可以增加视频协处理器，甚至编码和解码等各自独立的处理单元。视频协处理器内部包含一些针对视频编解码的并行处理单元，并可通过编配置来增强处理能力。另外，SOC还可以增加视频子系统，在前处理中可实现预览、缩放和部分光学处理，如自动曝光和自动聚焦功能；在后处理中可以有图文叠加单元等。”可见，SOC具有更高的集成度，提供更高的处理能力和运算速度，满足实现复杂算法的需求。

为此，郑小龙还举例说明，在网络摄像机的应用中，以往需要有视频传感器，再配上视频前端处理器、视频编码器以及系统网络处理器。而现在的SOC已经可以将视频编码器和系统处理器集成，并且在可编程的SOC中也已经集成视频前端处理器，因此所连接的CCD或CMOS传感器可以直接设计到同一个盒子里，从而实现真正的小型一体化。

海思半导体数字媒体产品管理部战略营销经理罗勇华认为，SoC芯片的出现兼顾了DSP与ASIC两家之长，弥补了两者之短，因此被行业赋予了更大的期待。例如，SOC具备了ASIC的性能专用特点，具有高性能、低成本、低功耗等特征，同时也保持了DSP的灵活性，并且解决了DSP芯片成本较高的问题。他介绍说，“海思针对安防视频应用推出的正是专用芯片SoC架构，它固化了标准的H.264，帮设备厂家降低了标准算法的重复投入，使得设备厂家可以把技术集中到行业的应用和功能的开发上，大大提高了行业的效率。”

很多DVR、DVS等硬件设备厂家对于SOC方案的出现都持欢迎态度。例如，北京汉邦高科数字技术有限公司技术总监张海锋就明确表示：现在硬件设备厂商需要花很多的时间与精力做一些算法、视频前端处理等重复性、基础性的开发工作，使得厂家针对产品外延应用功能方面的的研发精力不够。而如果芯片厂商能将一些基本的处理工作完成，设备厂家就可以集中精力来做一些设备外沿的开发，开发出更加符合客户实际需求的产品。他认为，未来DVR产业将呈现大规模生产的趋势。产业要发展，就必须形成低成本、标准化的局面，SOC的出现无疑将加快DVR产业的标准化进程。

不过，随着SOC的出现，可以想象的是，将来DVR产品的行业门槛将大大降低。一些工程商甚至可以通过芯片厂家拿方案去生产产品。针对这种状况，TECHWELL半导体市场总监程黎明因此认为，未来DVR等设备厂家的竞争将不再是体现在技术层面，而更多地体现在对外延功能的把握、营销策略以及品牌和成本的竞争上。

产业分工，更为清晰的市场定位

芯片市场的激烈竞争，以及视频监控产业的规模化发展，也使得当前芯片厂商们各自的市场定位更加清晰，产业分工也越来越明确。之前，像是TI、NXP、ADI这些芯片厂商不仅具有后端压缩处理芯片，也有前端解码芯片。目前这些厂家已经将产品研发及推广的重点放在后端压缩处理芯片上。而美国TECHWELL公司则通过不断提升其前端芯片的集成度与处理性能，占据目前中国市场视频处理前端芯片的领导地位。

类似于海思半导体等SOC芯片厂商的出现，更加体现出芯片领域各企业的分工已经越来越细。由第三方企业在DSP或ASIC芯片上做功能的开发与整合，把各硬件设备企业需要用到的基本模块和标准模块提前加入到开发包，再交付给设备厂家开发，这样不仅可以减免设备厂家繁琐的基本功能开发，提升设备的稳定性，而且还可以把设备厂家从一些重复的前端视频处理开发工作中解放出来，从而使设备厂家的研发人员可以把主要力量投入到具体行业的特殊要求中去。海思半导体罗勇华表示：这样的分工利于行业的设备标准化，只有一个行业有了标准之后，才能真正的蓬勃发展。而海思的目标就是要使设备厂家把更多的精力投入到行业解决方案及销售服务上，从而提升整个行业的效率。

视频监控市场的持续放大，也吸引了除芯片厂商以及视频监控厂商之外的其他第三方企业的加入，例如算法优化企业。2003年，上海圣堂电子瞄准视频监控领域成立，他们基于当前主流的芯片，如TI、NXP，帮助监控厂商做算法优化工作。“通过使用我们的算法优化软件，可以帮客户节约很多成本，以前，可能需要用4个芯片才能完成的视频处理工作，通过使用我们的方案只要用一颗芯片。虽然目前很多硬件设备厂家的研发人员也会做算法优化工作，但由专业的公司负责这项工作，就可以给他们提供更具有成本优势和跟有价值的产品。”

上海圣堂电子总经理何炜透露，早在2006年，圣堂的视频压缩算法已经支持一芯八路的产品方案。目前，圣堂电子已经与20多家安防视频监控产品厂家建立了牢固的合作关系。预计今年，圣堂还将在H.264算法上为安防视频监控行业做出更重要的支持。

不变的追求：高性能、低成本

谈到芯片产品的未来发展趋势，如恩智浦陈石明所言：芯片将朝着性能越来越高，成本越来越低，面积越来越小、功耗越来越低的趋势发展。当前各芯片厂家在开发产品时，除了要考虑支持市面上各种流行的操作系统以及更复杂的视频压缩算法格式外，最重要的方面就是不断提升产品的集成度，降低芯片的成本。“随着监控市场的规模化，芯片产品最终的较量就是成本的较量。”TECHWELL市场总监程黎明表示。

提高集成度
无论是前端芯片还是后端压缩处理芯片，各厂家都不断追求产品集成度的提升。例如，以前TECHWEL提供的前端芯片，有很多功能都是由后端芯片厂家去处理，而最新的Techwell TW2864和TW2835编解码器将画面分割器、音频等DVR需要的一些细节都集成进来，由此一来，大大减少了后端芯片厂家的工作，后端芯片厂家只需要集中精力做视频压缩处理部分的工作了。

而从后端压缩处理芯片的演变来看，其芯片的集成度以及运算处理能力也一直在进步，单芯片处理视频路数在不断增加。从恩智浦PNX1300—1500—1700芯片的发展轨迹来看，以前一颗芯片只能实现一路视频输入，然后逐渐发展到一颗芯片可以实现2路、4路、8路视频输入，芯片的集成度不断提升。而另一方面芯片的频率也不断提高，如在PNX1300的时候，芯片的频率只能达到 200 兆，到PNX1700的时候就提升到 500 兆了。陈石明表示，2008年，恩智浦将发展性能更高的芯片，可以实现真正的H.264视频压缩处理，并能使DVR的成本降到更低。

高清视频编解码
经过近10年的发展，芯片的视频编解码能力有了很大的提升。例如，之前要实现1080i的图像质量可能需要用10颗芯片编码，而现在只要两、三颗就可以了。结合市场需求来看，追求更好的图像品质是用户合理且永恒的要求。而随着智能化监控时代的来临，为了满足监控系统对视频图像的分析处理要求，如车牌识别、人脸识别等，则对图像质量提出了更高的要求，例如高清格式。这对芯片的编解码能力提出了更大的挑战。

“对于我们前端芯片厂商来说，最首要的是要提高视频图像的清晰度，原来我们的产品分辨率只能做到400线左右，TW2864通过采用10位ADC和增强型4H自适应梳状滤波器，使图像清晰度高达450线以上，且能获得更佳的图像质量、丰富色彩品质以及图像锐利度。”TECHWELL程黎明介绍说。

另外一方面，压缩算法的不断升级也改变着图像的画质。随着市场上主流的压缩格式向H.264，甚至更为高级的算法格式发展，不断地提高压缩比、并进行算法优化成为芯片厂商的追求。“就运算量而言，MPEG-4比JPEG复杂4倍，H.264又较MPEG4复杂3倍以上，除了decoder的兼容性和encoder的压缩质量的基本要求，高速的系统架构、内存频宽、高效率的DMA控制器，甚至多核的平行处理都是S0C效能是否优秀的关键。”升迈科技赖荣兴分析到。

从当前市场上主流芯片厂商所推出的产品来看，大多有支持高清格式的产品，例如，ADI的ADV202、212产品可以支持高清格式。TI的DM355即可支持720p下的MPEG4实时编码，码率为4Mbp至8Mbps，可以作为高清网络摄像机或高清视频服务器的核心处理器。据了解，TI可支持720p下的H.264实时编码芯片也即将推出。高清编码芯片的诞生，将可以使视频监控产品在更低的码流下获得更高的图像画质。

适应智能视频分析处理
随着视频监控的发展，视频分析技术受到人们的广泛关注，比如车流量统计、人流统计等。以前智能分析主要是通过PC机处理器去实现，芯片厂商在设计产品时很少考虑智能化这一块，而随着视频分析功能在前端嵌入式平台中实现，如DVR、DVS等等，也就相应地对视频处理芯片提出了新的需求。对于芯片厂商来说，要满足视频分析处理的需求，最首要的是要提升芯片的运算处理能力。

ADI市场技术经理张铁虎分析到，由于目前还没有标准的用于智能分析和处理的算法，基于不同的压缩格式实现智能视频分析处理会对DSP的MIPS（衡量CPU速度的一个指标）要求有很大不同，所以算法的优化非常关键。由于ASIC的性能表现不能满足智能处理的需求，而DSP的灵活性和高性能，使得智能分析处理成为DSP比较擅长的工作。所以，目前很多DSP芯片厂商会同算法合作伙伴一起，从指令层面对算法进行优化。另外他还认为，DSP将来的发展趋势应该是把编码运算工作由内部的加速器（accelerator）来处理，从而把DSP空间留给用于智能处理的算法。

“由于基于不同的算法实现视频分析处理有所不同，所以灵活的芯片架构和足够的MIPS是理想的配置，比如ADI的双核处理器BF561，可由一个core做操作系统，另一个做智能处理。另外，BF561可以高达600Mhz，而下一代处理器会是1GHz+。”据透露，ADI DSP Blackfin的Core技术是1999年与Intel合作的MSA架构。从智能处理方面，可以覆盖智能检测，智能识别等各个方面，比如人脸的检测和识别，车牌的检测和识别，烟雾和火警检测，以至复杂的各种人的行为识别技术。