基于低成本FPGA的高清低碼流H.264攝像機SoC參考設計

　　摘要：本文提出了一種基于低成本FPGA的高清低碼流安防攝像機SoC實現(xiàn)方式，該設計已經完全實現(xiàn)，開創(chuàng)了高清低碼流安防攝像機SoC的先河。

　　1. 概述

　　目前高清H.264攝像機的核心SoC基本上都是ASIC，而FPGA作為近年來發(fā)展迅速的可編程器件，在高清H.264攝像機的SoC領域如何能有一席之地？這是我們的設計需要實現(xiàn)的目標。

　　2. 設計特點

　　與ASIC相比，F(xiàn)PGA的特點是功能強，設計靈活，隨時升級，工作成果可以積累，NRE低，但是芯片價格比ASIC貴，所以必須找到一個可以達到價格平衡的應用領域，我們根據(jù)這幾年智能手機和3G網絡發(fā)展迅猛的情況，參考電信運營商第一代全球眼的技術指標，直接把設計指標定位在碼流小于512kbps和分辨率為1280x720x25fps，目前在市面上可以實現(xiàn)這些指標的攝像機幾乎沒有，這是FPGA的好機會。

　　512kbps的碼流限制主要是考慮到ADSL和家庭光端機的上傳能力，而且也能利用3G上傳視頻，減少了智能手機的碼流下載壓力；1280x720是智能手機的主流分辨率，自然需要相應的視頻源，如果顯示D1或CIF，效果肯定不理想。

　　我 們的目標是做一個可以直接用于生產的參考設計，除了設計指標先進，我們還要考慮價格和實用，所以我們選擇了低成本的CYCLONE IV系列，另外也實現(xiàn)了一般網絡攝像機的全部功能，如H.264壓縮、720p25幀三碼流、雙向語音、重要區(qū)域和隱私區(qū)域的定義、智能分析、移動檢測、 聲音偵測、POE供電等；

　　3. 實現(xiàn)高清低碼流H.264攝像機SoC的關鍵

　　一般來說，1280×720×25fps的碼流在2Mbps左右，如何降低碼流？除了使用mail profile with cabac的H.264編碼器外，還需要對視頻圖像進行分析，而且要在幀率、分辨率、視頻質量等方面權衡折中，在512kbps碼流下獲得最好的視頻效果，為了達到這樣的目的，需要復雜靈活的控制，F(xiàn)PGA可以滿足這樣的需求。

　　4. 高清低碼流H.264攝像機的結構

　　高清低碼流H.264攝像機的結構簡圖如下：

　　圖1 高清低碼流H.264攝像機的結構圖

　　FPGA的內部結構如下圖所示：

　　圖2 FPGA的內部結構圖

　　FPGA的選用

　　在高清低碼流H.264攝像機的結構中，除了圖像傳感器、存儲器、電源和模擬接口外，所有的功能如圖像處理、H.264編碼、協(xié)議處理、參數(shù)管理、媒體流發(fā)送等都由FPGA實現(xiàn)，F(xiàn)PGA就是高清低碼流H.264攝像機的 SoC；目前世界上FPGA的生產商只有幾個，可選擇的產品也不多，要用FPGA實現(xiàn)高清低碼流H.264攝像機的SoC，選擇一款合適的FPGA非常重要，F(xiàn)PGA的選擇主要考慮三方面的因素：速度、成本和結構；每個FPGA生產商都有多個FPGA系列，每個系列的速度、性能和價格都不同，要使高清低碼流H.264攝像機SoC的成本盡可能低，應該選擇成本最低的系列，像我們選擇的FPGA是Altera公司的CYCLONE IV系列，型號是EP4CE115F23C8，CYCLONE IV是低成本系列，在同樣是低成本系列的FPGA中，CYCLONE IV的速度是最快的； FPGA的結構對圖像處理也很重要，尤其是存儲器和乘法器的數(shù)量，H.264算法是以宏塊為單位，在處理過程中必然會涉及到宏塊的輸入輸出和緩存，1個宏 塊的數(shù)據(jù)為384字節(jié)（256字節(jié)亮度數(shù)據(jù)和128字節(jié)色度數(shù)據(jù)），如果考慮到輸入輸出和處理的并行，必須設置雙份，即768字節(jié)，用CYCLONE IV的1個M9K存儲塊正好，從上面的分析可以看出適合圖像處理的FPGA對內部存儲器的要求是存儲塊容量?。ㄈ?KB）、存儲塊數(shù)量多，另外，對乘法器的要求也是數(shù)量多；在我們選擇FPGA的時候，CYCLONE IV是在所有低成本FPGA中有最大的存儲器邏輯比和乘法器邏輯比，很適合做圖像處理。