基于FPGA的高動態(tài)范圍圖像信號處理

　　視頻圖像信號處理(ISP)從模擬信號時代發(fā)展而來，已經(jīng)經(jīng)歷了很長一段時期。今天，數(shù)字信號處理實現(xiàn)了可以在位級進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，為圖像質(zhì)量提供了前所未有的控制。數(shù)字信號處理顯然不等同于數(shù)字信號處理器或DSP.雖然DSP已經(jīng)被廣泛用于視頻圖像信號處理的數(shù)字領(lǐng)域，ISP可以由各種處理器件實現(xiàn)，如DSP、ASIC、ASSP和越來越多的現(xiàn)場可編程門陣列，即FPGA.

　　為什么使用FPGA?

　　有幾個原因推動了FPGA的日益普及。這些原因中的兩個反映了安防攝像機(jī)的最新趨勢，大大增加了需要處理的圖像數(shù)據(jù)量，第三個是經(jīng)濟(jì)方面原因，即攝像機(jī)元器件材料成本(BOM)。

　　安防攝像機(jī)的趨勢：有兩個主要趨勢正在改變安防攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法：

　　1.百萬像素傳感器的問世

　　2.對高(或?qū)?動態(tài)范圍(HDR/WDR)的需要

　　百萬像素傳感器

　　曾經(jīng)有一段時間，VGA分辨率傳感器對于安防目的的攝像機(jī)來說已經(jīng)足夠了，當(dāng)時通常由操作人員來監(jiān)查或者僅是存檔以備日后查看。然而，隨著安防攝像頭在全球范圍內(nèi)使用的數(shù)量急劇增加，沒有足夠的操作人員來監(jiān)查，所以安防產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始依靠軟件來分析視頻，用以監(jiān)控是否在“關(guān)注的區(qū)域”有任何異常發(fā)生，無論是實時的或留作日后分析。復(fù)雜的視頻分析(VA)算法已發(fā)展到可以將異常情況從正常情況中分辨出來;然而，為了更加切實有效，這些算法需要比VGA分辨率的攝像機(jī)所能提供的更多的細(xì)節(jié)信息。

　　攝像機(jī)需要更高的分辨率使得VA能夠識別出有限和/或大面積區(qū)域內(nèi)的一般活動，例如：一個停車場。一個攝像機(jī)需要約30像素/輸入用于車牌識別，以及約150像素/輸入用于查看更細(xì)節(jié)的活動，如確定收銀機(jī)交易。一百萬像素涵蓋了7英尺X7英尺范圍內(nèi)的詳細(xì)信息，并且4個VGA攝像頭才能抵得上一個一百萬像素的攝像頭。

　　圖像傳感器已經(jīng)開發(fā)出來并且已經(jīng)商業(yè)投產(chǎn)，適用于1百萬、2百萬、5百萬甚至1千萬像素的分辨率。顯然，隨著像素數(shù)的增加，因此必須處理的數(shù)據(jù)量也利用了更高的分辨率這一優(yōu)勢。

　　高動態(tài)范圍(HDR)

　　HDR也稱為寬動態(tài)范圍(WDR)，用以測量傳感器和ISP功能是否能夠很好地區(qū)分黑暗和明亮區(qū)域。我們都對業(yè)余拍攝的以太陽為背景的家庭照片非常熟悉。雖然沐浴在陽光下的風(fēng)景明亮清晰，但是人們的臉上都非常暗。這是因為(通常是自動)相機(jī)調(diào)整在陽光下的場景的曝光。然而，這個曝光時間太短，以至于無法正確識別較暗的對象。如果手動設(shè)定曝光或者使得光圈獲得更多的光線，這樣就能分辨出暗部的細(xì)節(jié)，但是這樣做的結(jié)果是，現(xiàn)在明亮區(qū)域的細(xì)節(jié)已經(jīng)過度曝光，甚至徹底洗白。這對于操作人員或者VA軟件來說都不是一個好的結(jié)果，因為很多關(guān)注區(qū)域的細(xì)節(jié)信息都已經(jīng)丟失。

　　HDR傳感器使用創(chuàng)造性的方式解決了這個問題，根據(jù)不同的曝光時間拍攝多張照片，然后通過ISP流水線組合并融合這些圖像，保存并呈現(xiàn)所關(guān)注區(qū)域的亮部和暗部區(qū)域的細(xì)節(jié)信息。顯然，當(dāng)對于同一個圖像進(jìn)行多次曝光，造成了所需處理的數(shù)據(jù)量增加。例如，當(dāng)一臺攝像機(jī)可以輸出每秒60幀的全高清1080p圖像，帶有HDR傳感器，每幀3次曝光，在其工作時，攝像機(jī)內(nèi)的ISP流水線實際處理的是60×3，即相當(dāng)于180幀每秒。

　　FPGA和增加的處理負(fù)荷

　　一個百萬像素的傳感器和HDR相結(jié)合大大提高了ISP流水線的處理負(fù)荷。DSP器件本質(zhì)上是“順序處理引擎”，很難負(fù)荷巨大的數(shù)據(jù)處理負(fù)載。它可能仍然可以處理我們上述示例中高端DSP中的1080p60HDR流水線的數(shù)據(jù)，但成本和功耗高得令人望而卻步，并且在經(jīng)濟(jì)上無法負(fù)擔(dān)。FPGA由于其固有的并行性，非常適合承擔(dān)高清、高動態(tài)范圍圖像信號處理所增加的負(fù)載。

　　可編程的重要性

　　除了以極低的功耗和成本提供高性能之外，F(xiàn)PGA定義為可編程的，這提供了超越ASIC和ASSP的顯著優(yōu)點。ASIC的設(shè)計和構(gòu)造都極其昂貴，一旦完成就不能更改?；贏SSP的攝像頭設(shè)計可能會受到已經(jīng)制成的標(biāo)準(zhǔn)件功能的限制，這也就無法再進(jìn)行修改。事實上，在視頻圖像處理市場中的一些DSP和其它的ASSP器件，需要一個FPGA來橋接傳感器和標(biāo)準(zhǔn)部件，以適應(yīng)新的傳感器制造商正在使用的新的串行接口，用于接收其傳感器傳輸?shù)陌偃f像素數(shù)據(jù)。隨著基于FPGA的實現(xiàn)方法的出現(xiàn)，攝像機(jī)制造商可以利用可編程的優(yōu)勢，迅速在其設(shè)計中采用新的傳感器和技術(shù)，或迅速改變他們的ISP算法。