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可编程视频平台视频监控中的通用可编程SoC潮流

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由于数字视频监控系统不仅包含适于DSP的视频压缩编解码处理,还有大量适于CPU的控制、管理、存储和网络功能,于是,更高的集成度将通过SOC来实现。业界所普遍认可的SOC具有两个或两个以上处理器核心的单片集成系统,而且其中即可有CPU主处理器,同时也可有DSP和协处理器类的软核,后者是ASIC类的硬核,甚至也可包含其它的专用处理子系统,并且集成有丰富的外设接口。

  众所周知,通用可编程DSP引领众了数字视频监控的兴起,然而同数字视频产品不断产业化的进程一样,当某一阶段技术趋于成熟之后,就会有众多的定制器件参与竞争,这也就是使得可编程平台在持续提高的基础上还要不断推陈出新,甚至要有新理念的突破才能立于不败之地。由于数字视频监控系统不仅包含适于DSP的视频压缩编解码处理,还有大量适于CPU的控制、管理、存储和网络功能,于是,更高的集成度将通过SOC来实现。SOC全称为System On Chip,关于其中文译法则仁者见仁,智者见智。部分人认为就直译为“片上系统”,又有部分人觉得似乎是“单片系统”更准确。业界所普遍认可的SOC具有两个或两个以上处理器核心的单片集成系统,而且其中即可有CPU主处理器,同时也可有DSP和协处理器类的软核,后者是ASIC类的硬核,甚至也可包含其它的专用处理子系统,并且集成有丰富的外设接口。以下将结合德州仪器TI)通用可编程单片系统在数字视频监控中的应用,探讨SOC发展的优势和趋势。

单一SoC平台面向多种产品

  TI所规划的面向视频监控类的产品的通用可编程平台始于DM642通用媒体处理器,这是一个以DSP为核心集成有丰富的外设接口的芯片,其全球累计销售量已超过一千万片。以此为基础,TI规划出达芬奇(Davinci)平台,这是系列SOC期间,充分体现了单片系统的特色,既能应用于嵌入式的DVR和NVR的多路设别,也兼顾DVS和IPC的需求,因此一个平台就可以支持多种不同类型产品的开发,有效降低研发投入并加速产品推出周期。

  DM644X是第一款的Davinci芯片,其中所集成的CPU时ARM9核心,所集成的DSP是C64+核心,还集成有视频协处理器VICP。另外所集成的视频子系统同时包含前端和后端两部分,其中前端可以直接与CCD或CMOS视频传感器,并配有图像缩放和预览工具,还有所谓“3A”功能,即自动白平衡、自动曝光和自动聚焦控制单元;后端集成多层字幕叠加(OSD)、四个视频DAC和24位数字RGB输出。所集成的外设包含以太网接口、PCI接口、SPI串行接口、ASP音频接口、USB2.0接口、ATA硬盘接口、MMC/SD存储卡接口等。软件开发为开放式,可采用业界认可的多媒体API进行软件系统的集成。如图1为基于DM644x的视频监控产品。



图1 基于DM644x的视频监控产品

Davinci系列包含成熟的视频软件、完善的开发工具和有力的技术支持,因此一个原型设计可以衍生出数字视频录像机、数字视频服务器和IP网络摄像机等更多的产品形态。Davinci所构建的是一个数字媒体开发框架,并将为各个系列的平台所共享。


  多种SoC平台面向单一产品


  一个SOC平台的成功表现在为业界认并经过市场验证,DM644x就是如此,而由此延伸到更多的系列中的应用。在Davinci的后续单片系统中,DM646x、DM3xx都有主CPU,并集成有DSP类软核和处理子系统及丰富外设。


  DM643x和DM648虽没有主CPU但所包含的DSP核心,但是可以基于DSP?BIOS实现实时操作系统功能,或者第三方的商用Linux嵌入式实时操作系统,另外集成有处理子系统或协处理器软核,以及丰富的外设,可以自成系统。


  IP网络摄像机方案是一个很典型的视频监控产品,客户对其产品规格由不同的需求,对此Davinci以统一的数字媒体框架提供不同平台的支持。DM6446可支持D1下H.264并附加智能视频功能;DM6437可作从DM642平台升级同样支持D1下H.264;基于DM355的IP摄像机在业内备受青睐,其突出特点是可以单片支持MPEG4高清720P编码,同时还可支持一个CIF流。视频前端可直接连CCD或CMOS传感器。片上有各种存储接口。该片软件免费捆绑提供,工艺采用低功耗设计,易于实现小型一体化设计。刚刚推出的DM365除具有上述所有优点之外,增加了对高清H.264的支持,且集成音频和网络等增强功能,而且视频前端有ISP单元,可支持人脸检测、视频稳定和噪点去除功能;DM6467可支持1080P下H.264高清并由所集成DSP核心C64+支持高级视频智能分析功能,并支持高清BT1120高清输入和千兆以太网接口。如图2所示为基于不同Davinci的IP网络摄像机方案。



图2 基于Davinci的IP网络摄像机方案

由此可见,在特定产品规划、定义和设计前,应该评估多种SOC平台,如果这些平台又具有共同性,且又覆盖不同档次的产品,这对数字视频监控开发人员而言将意义重大。


  多个SoC平台的强大组合


  无论是嵌入式DVR、DVS或NVR都须希望能一芯支持多路系统,对此Davinci各个系列平台均有相应的支持能力。DM6446或DM6441单片可支持H.264格式四路CIF,目前已有成熟的产品在市场销售;DM365单片可支持H.264格式两路D1或八路CIF。由于Davinci系列的视频接口只有一组BT656的输入和输出,在支持多路应用时要扩展,为此TI单片四路视频解码器已被广泛采用,而将推出的TVP5158更是增加视频多路分割功能,可以直接连接Davinci视频口。


  DM6467属于Davinci-HD,即单片支持1080P高清H.264编码,其核心处理由两个视频协处理器实现。DM6467单片多路能力极强,可支持H.264格式实时四路D1或十六路CIF,而升级到千兆主频后更是能单片可支持H.264格式实时八路D1。DM6467可通过PCI或千兆网络口扩展级联,而TVP5158也可支持级联,于是就可实现不同分辨率和不同视频路数下的组合,最高可达H.264格式实时十六路D1。如图3所示为基于Davinci-HD的多路系统方案,核心为多片DM6467,视频扩展由多片TVP5158。值得一提的是每片DM6467的DSP都有能力处理每路视频所需的智能分析。


图3 基于Davinci-HD的多路系统方案

“软硬兼施”SoC平台的巨大潜力


  为使SOC芯片方案尽可能地提高性能并丰富功能,可编程是一大要素。而对大幅度降低功耗、减少成本,高集成是又一大要素。为此TI所推出的系列SoC平台力求通过创新,以便安防视频监控厂商的产品能更完善地顺乎市场的发展和满足客户的需要。达芬奇平台的成功推进奠定了TI通用可编程平台在视频监控领域的领先地位,这些系列产品所集成的ARM9处理器、C64+?DSP核心、视频协处理器VICP、视频前后端子系统VPSS等核心单元式的数字视频监控产品的定义和研发更加高效和灵活,根据不同应用需要选择不同系列应用于目标产品开发设计可以兼顾硬件和软件系统平台的开发,这些都在安防领域获得了不同程度的成功印证。


  在目前经济形势下监控市场仍在成长,但竞争也异常激化。市场上的专用器件(ASIC)也开始在做“单片系统化”,已存在的SOC芯片方案就由以ARM集成硬件编解码器,但其不足在于对视频格式的支持受限,不具有灵活性。无论SoC芯片如何发展,对可编程的特性将长期保持存在。SoC芯片的发展趋势将表现在主控CPU的升级换代、视频协处理器的能力增强、DSP资源完全同于增值应用且同时支持定点和浮点运算,还有更多的高性能外设接口被集成到单片中来,如DVI、SATA、PCIe等等。虽然也有一些可编程性专用平台出现,但不具有通用性,开发设计较为复杂,而且对类似视频监控增值性功能的支持能力很弱。


  随着数字视频压缩编解码技术的成熟,视频监控领域的创新技术热点将转向视频内容分析(VCA)技术。为提高视频监控系统的效率,VCA将有可能全面改变视频监控应用的方方面面。技术的发展和革新加速了VCA在视频监控中的普及,而可编程DSP又首当其冲地发挥着重要的作用,TI在C64+和核心上开发了名为VLIB的VCA开发底层函数库,并承诺免费提供广大的视频监控客户,这将开启了一个新型智能视频产品不绝的源泉。


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