白皮書：IP Camera的視頻性能及動態分析

現代人對人身及財產安全越來越關注，這促使視頻安全監控市場迅速走紅。基于對這一市場的關注，以及數字信號處理技術（DSP）和網絡技術的發展，視頻監控已經由模擬監控（VCR ，Video Cassette Recorder）發展到數字和模擬混合的DVR（Digital Video Recorder），進而向IP視頻監控系統這種數字視頻監控發展。目前，DVR系統占據了全球視頻監控市場的50%，可謂如日中天。但業界對IP視頻監控的發展趨勢一致看好，視頻監控系統向數字化發展成為發展趨勢。

IP Camera的優勢

IP視頻監控系統在布控距離、擴展能力和布控成本上與傳統的模擬監控和DVR相比有所不同。從布控距離上講，IP視頻監控系統中的網絡服務器直接連入網絡，沒有線纜長度和信號衰減的限制，沒有地域概念；從擴展能力上講，這種系統對于設備數量沒有限制，增加設備只意味著IP地址的擴充。在成本上，IP視頻監控系統占用帶寬較少，可以利用企業現有的局域網，在安裝時節省布線建網的成本。相比之下，對于其他的視頻監控系統，如要增加新的監控點需要重新建網，新的設備很難添加到原有的系統中，并要受到線纜長度和信號衰減的限制。

IP Camera監控系統常見開發平臺分析

IP視頻監控系統包括網絡視頻服務器監控系統和IP Camera監控系統，其中IP Camera是系統的前端處理部分。CCD/CMOS圖像傳感器把場景的光信號轉變為電信號，這些電信號轉換為數字信號后通過數據接口傳輸到DSP存儲器。DSP作為IP Camera的數字圖像處理和壓縮以及操作系統運行的主處理器芯片,完成圖像壓縮、編碼的同時把數據流送到硬盤或其他存儲設備中保存。可以想見，前端設備對視頻圖像質量好壞有極大影響。因此，處理器的選擇在開發人員如何能夠成功地滿足數字視頻監控產品的設計需求上扮演了重要角色。

目前市場上，ASIC、FPGA與傳統的DSP是常見的幾種方案，每種都有自己的特點。其中，ASIC比較適合沒有算法基礎的研發隊伍采用，因為ASIC芯片本身的壓縮算法可以幫助加快產品研發進度。但是，隨著音/視頻格式和標準的不斷演進，這種方案的靈活性對它在視頻監控領域的廣泛應用又成為一種限制。相比之下，傳統的DSP處理具有更加靈活的處理能力，在數據處理方面也更加強大。然而，DSP傳統的處理架構的重點還是集中在數據運算能力上面，對于視頻監控應用來說不夠優化。對于那些具有復雜的控制能力和更高速媒體流需求的系統級應用來說，傳統的DSP并不理想——DSP中更多的系統資源被浪費掉了。由于具有強大的并行處理能力，在要求復雜和密集的視頻信號處理的高端視頻監控領域，理論上FPGA應該具有很大優勢。遺憾的是，FPGA的產業生態環境、較大的功耗以及高昂的成本拖了它的后腿，使它很難成為這個應用領域的競爭者。

還有一種方案是采用MCU（ARM核）＋DSP。由于ARM采用RISC指令集，適合處理控制代碼，對視頻編解碼則力不從心。DSP則能彌補ARM的不足，其運算能力能夠滿足人們對視頻流暢程度的需求。這種方案的思路是發揮ARM核的控制作用和DSP處理器的處理能力。但是，研發人員需要對MCU和DSP這兩套代碼進行掌握和維護，研發成本和對研發人員的要求都比較高。

顯而易見，如果能夠有一種處理平臺，將MCU和DSP的性能融合起來，不但能克服ARM核＋DSP所存在的瑕疵，同時能保留兩則的優勢特性。Blackfin處理器平臺正是這樣的匯聚平臺，它給視頻監控產品開發帶來了新的力量。匯聚處理器將MCU和DSP的性能融合在一起，在單核上對uCLinux、協議棧和媒體流進行處理，將實時多媒體數據流及以控制為導向的任務進行優化。Blackfin家族使用了MSA（Micro Signal Architecture）架構，在一個單核架構中提供可編程的16/32位MCU和DSP功能，能夠對控制、網絡、多媒體以及信號處理區域進行劃分。同樣的開發環境適用于所有的Blackfin產品線，使IP視頻監控產品的上市時間加快，成本大大降低。

IP Camera的視頻性能和動態范圍

通過強大的視頻處理算法、豐富的外圍接口等，Blackfin系列產品能夠顯著改善IP Camera系統的視頻性能和動態范圍。

目前市場上的寬動態IP Camera主要有兩種技術實現方式，一種是以圖像傳感器配合數字信號處理器的方式實現寬動態效果，主要實現形式為雙倍速CCD+DSP、普通CCD+雙快門等。該技術方案采取雙曝光或者多次曝光的方式，并通過DSP將采集到的模擬信號轉換成數字信號輸出，最后將兩次曝光或者多次曝光形成的畫面進行合成，從而得到一幅在光線明、暗處物體都能被清晰表現的畫面，一般稱此類攝像機為CCD寬動態攝像機。另一種是采用DPS（數字圖像傳感器與處理系統）的方案，該方案中DPS可以對拍攝區域進行多次單獨無損失采樣，并直接輸出數字信號，因此無需經過DSP對信號進行轉換，一般稱為DPS寬動態攝像機。在CCD寬動態攝像機中采用Blackfin平臺，因為Blackfin具有專門的底層視頻指令集支持和更高的主頻，在圖像處理方面更高效和靈活。在DPS寬動態攝像機中，Blackfin和其他DSP處理器一樣對寬動態范圍沒有貢獻，主要用于視頻壓縮。

實際上，Blackfin系列DSP專門針對高速并行數據特別是視頻數據集成了并行外圍接口（PPI），在傳統的數據總線的基礎上增加了一條專用數據吞吐通道。PPI接口可以按照BT.601視頻流的“硬件同步”模式工作，還能自動解碼BT.656視頻流前同步碼，從而能夠無縫連接到多種視頻源和圖像傳感器，與直接存儲器存取（DMA）控制器配合使用。PPI可以在完整的視頻幀信息中只讀入有效的視頻信息，或只有消隱區域。當不需要完整的視頻幀時，就可以顯著節省帶寬。從這個性能上講，Blackfin平臺對IP Camera應用提供了強大支持。另外，PPI可以忽略隔行BT.656視頻流的所有第二場圖像信息，從而提供了用于快速抽取輸入信號的方法。PPI還可以直接連接到類似ADV7183A的視頻解碼器，簡化電路設計。

Blackfin處理器適合于實現靈活的多媒體智能分析算法，具有專用的視頻處理指令。同時，Image Tool Box智能監控軟件包針對智能監控算法中的一些常用和基本函數做了專門優化，可以加速上層算法的實現和優化。在Blackfin平臺上目前有多種智能處理模塊，如魚眼矯正、運動物體檢測及基于運動檢測的上層算法如入侵檢測和定位等。

在高清和標清IP Camera應用中，MPEG 4、H.264壓縮格式成為主流。拿H.264壓縮格式來說，與傳統的視頻編解碼格式H.263和MJPEG相比，使用H.264視頻壓縮格式能減少所需帶寬，還可為有效的數據塊傳輸提供卓有成效的網絡提取層。單核架構的Blackfin匯聚平臺提供核心頻率性能高達600MHz（1200MMACs），支持多通道音頻、VGA/D1視頻應用和MPEG-4、H.264以及Windows Media壓縮格式，能以較高分辨率對高級視頻編解碼進行處理。支持Blackfin平臺的軟件當中應用到了這些性能。對不同的媒體格式和功能，只需要簡單地對高級軟件進行更改就可以了。

通過將MCU和DSP匯聚到一個單內核的平臺上，Blackfin處理器加速了視頻監控系統的開發過程，大量集成的外圍設備節省了大量重新組建這些設備的時間和成本。

另外，在視頻監控應用中，被監控物體圖像曝光過度或曝光不足的情況讓人們非常煩惱。寬動態范圍的產品很好地適應同一場景中不同部分光線強弱差別較大的情況，并能夠在最終的視頻中淡化這種光線亮度差異，使整個畫面每一個部分都能清晰可辨，避免圖像質量下降。

隨著中國國內安防監控市場的發展，人們對這種寬動態范圍IP Camera產品的需求越來越大。目前主流的寬動態攝像技術，是通過攝像機對每幀畫面采集高速快門和低速快門兩張圖像，并通過后臺的DSP處理合成為一幀圖像而成。這樣的技術體系對于整個攝像機從快門到影像傳感器（如CCD或CMOS）再到后臺處理程序和處理器都有更高的要求。

處理器的選擇

根據應用的具體情形和場合，處理器的正確選擇可以有效提高圖像質量、檢測能力。性能顯然是一個關鍵因素。由于處理器所有的工作量幾乎都集中在圖像處理方面，這要求處理器能夠優化處理大量不同的視頻任務。按照具體應用的不同，Blackfin平臺包含多款產品可供選擇。

例如BF51x系列，它包括BF512、BF514、BF516和BF518等多款產品，適合各種儀器儀表、便攜式醫療診斷與VoIP電話等應用。這些單核匯聚處理器和MCU+DSP方案相比能夠減少器件數量，降低功耗。BF51x處理器都具有高達400 MHz (800 MMACS)的時鐘速率，集成了Lockbox安全技術。每個處理器包括兩個雙通道同步串行通信端口(SPORT)、一個高速并行外設接口、一個I2C兼容的TWI、兩個PC兼容的UART，以及兩個SPI兼容的串行外設接口端口。

在BF52x系列中，處理器在250MHz時核心功耗低至0.16mW/MHz。該系列處理器工作頻率600MHz，其低功耗系列產品執行頻率可達400MHz。在知識產權安全和網絡安全能力上，其Lockbox安全技術可以提供有效保護。作為媒體協同處理器，ADI對系統外圍電路較少的處理器進行了優化，使得設計時可以增加額外功能。此外，由于具備高功效信號處理能力和豐富外圍接口，與以太網以及Wi-Fi 802.11 a/b/g模塊的無縫連接可以輕松實現，對IP相機非常適合。

BF534處理器的系統外圍包含一個集成了CAN 2.0B控制器、兩組UART端口、一個SPI端口、兩組串行端口、兩條外部DMA請求信號線、48條通用I/O腳以及一個并行外圍接口等。ADSP-BF536/537則進一步擴充了功能，包括集成IEEE 802.3 10/100 Ethernet MAC以及強化DMA系統，以提供高網絡頻寬能力。

BF561是雙內核600MHz處理器，在信號處理和控制功能的集成與分割方面能夠提供最高的性能和最大的設計靈活性。

總體看，Blackfin是適合視頻監控應用，并有效幫助加速IP Camera系統設計和構建的平臺，對提高IP Camera的視頻性能和寬動態范圍頗有成效。