安防监控中的视频处理SoC

　　安防系统是一个复杂的综合系安统，其中的视频系统更是一个复杂的图像信息系统，其基本任务是视频图像采集、存储与传输。由于视频图像信息量大、对数据处理的实时性和系统功率损耗的限制要求高，因此，安防视频系统需要使用更高的集成电路技术。

　　SoC（System on Chip）是电子技术中的核心技术之一。SoC技术的特点是把系统中全部电路集成在一颗芯片中。由于相关理论与技术的限制，目前还很难把全部电子电路集成在一颗集成电路中。因此，目前所说的SoC实际上是指信号处理及其相应的外围信号和小功率电路的集成。

　　安防视频监控系统的基本要求

　　安防视频监控系统不仅可以如实地记录所发生事件的画面，同时还可以同步记录相应的声音。这对公共安全系统来说是十分重要的。随着近年来科技的不断发展，视频监视系统已经成为常规的社会安全保障手段，而得到广泛应用。

　　视频监控系统的功能就是记录并向指定终端提供影像和声音，其基本功能包括摄像、录音、录像、数据传输、数据接收、影像和声音回放，其基本结构如图1所示。

图1   安防视频监控系统的基本结构

 　　图1中，摄像头、图像处理、传输接口和摄像存储构成了摄像机、DVR等，如果去除摄像存储，则就是网络摄像机。信号的传输接口对于视频监视系统具有十分重要的意义，如果传输接口提供了IP网络连接模块，则可以通过Internet或Intranet构成网络视频系统。如果没有IP接口，而是提供的专用连接接口，例如USB等，则需要构建专门的网络。同时，如果传输接口具有相应的无线网络功能，则可以支持无线系统或移动流媒体网络。

　　图1中的网络服务器的功能是对视频数据进行保存、处理和分配，其可与接收终端直接物理连接，也可以是独立的网络服务器，例如Intranet服务器。

　　图1中的接收终端的功能则要提供所需要的视频输出，以供视频图像的观察，以及对图像作相关的处理，例如定格操作、记录和查询、物体识别等。

　　对于视频系统来说，图像质量、传输质量、传输速度、传输方式、实时性、安全性和可靠性是七个关键性能指标。安防视频监视系统对这七个指标的要求与一般网络电视、流媒体系统等要求不尽相同，特别是对实时性、安全性、可靠性要求较高。例如，网络电视允许短暂的停顿，但安防视频则不允许有这种短暂停顿，更不允许有数据的丢失。再例如，网络电视、流媒体网络等对视频数据的传输速度没有十分严格的要求，对传输数据的安全性也没有过高的要求，这些完全取决于传输网络的技术指标和规模，而安防视频监视系统则对数据的传输速度和保密具有较高的要求。

　　从技术上看，除摄像头中部分是光学系统外，其他的全部属于电子系统。视频监视系统的功能和技术性能指标完全取决于电子系统的技术功能和性能指标。随着电子系统和流媒体技术的飞速发展，视频处理电子系统的物理结构和设计方法发生了巨大的变化。摄像处理和传输接口（包括CCD\CMOS图像获取电路）被集成在一颗芯片中。这种芯片就是目前视频监视系统中的SoC。值得指出的是，使用SoC的重要意义并不简单地体现在摄像系统提及的摄像和功率损耗的降低，更主要的是体现在数据处理速度、简化应用开发设计技术、提高系统可靠性等方面。

　　视频处理SoC器件现状

　　同一个集成电路芯片中半导体元件数量的大幅度增加，已经引起了应用电子系统设计和实现技术质的变化。这种质的变化，体现在集成电路技术已经实现了从功能电路的集成到全系统功能集成的飞跃。所谓全系统功能集成，是指把完整系统所需要的所有电路，用集成电路制造技术集成在一个芯片中，这就是20世纪90年代后期兴起的SoC技术。

　　SoC技术是一项基于IP核(Intellectual Properties Core)?和自顶向下设计方法的集成电路设计技术。由于以IP核为基础、以系统设计为核心，使得SoC（System on Chip）技术已经成为21世纪初应用电子系统设计的重要技术核心。基于SoC技术，具有实力的集成电路制造公司近年来推出了重要的视频流媒体SoC芯片。这些芯片具有一个共同的特点，就是充分利用了嵌入式技术，提高了应用开发的技术层次，简化了系统、降低了开发技术的复杂性。

 　　TMS320DM64x数字媒体处理器提供了高的性能。片上提供了视频端口和视频音频编解码电路模块，不仅方便了视频器件连接，还可容易地实现视频及音频编码器／解码器。TMS320DM64x数字媒体处理器在硬件上支持2路D1实时编码，通过加载不同的编码算法微码程序可以实现多种格式的压缩编码，例如MPEG4或者H.264等压缩标准。由于这颗芯片考虑了较宽的应用领域，因此对视频监控系统应用中的一些要求需要使用软件方法来完成，例如不同尺寸的缩放等。

　　i.MX27是飞思卡尔专为IP网络设计的多媒体处理器，i.MX27集成了ARM9和MPEG-part-II编解码电路、H.264/AVC编解码电路（可达双向D1/30帧），以及各种所需要的外部电路，例如视频输入、音频输入、网络接口，各种通信接口，人际界面接口。此外，飞思卡尔还开发了i.MX32/L，这种SoC的应用目标就是移动多媒体处理系统。

　　ADI公司的ADSP-BF561是Blackfin对称多核处理器，两个Blackfin核可工作在600MHz，每个Blackfin核包括有16KB指令SRAM/高速缓存、16KB指令SRAM、32KB数据SRAM/高速缓存、32KB数据SRAM、4KB暂存SRAM以及多种存储器接口。这个芯片被广泛用在各种多媒体，工业和通信领域。

　　海思的3510是针对商业监控市场推出的一款SoC芯片。3510芯片集成了ARM9和H.264硬件编解码内核，其性能达到了编码D1、30帧和解码CIF、30帧，基本满足了商业监控的视频处理要求。

　　杭州中芯科技有限公司（National Chip）2006年6月推出“卫星数字电视接收一体化SoC”?GX6101。卫星数字电视接收一体化SOC芯片是国产首款高集成度的卫星数字电视解调解码单片接收SOC芯片，芯片内置32位高性能嵌入式CPU，片内集成了双路ADC、视频DAC、DVB-S信道解调、MPEG2-TS流解复用、MPEG2解码、视频去隔行与后处理单元、OSD生成器以及TV编码器等功能模块，是国内数字电视领域第一款真正意义上的SoC芯片。这种芯片为安防视频监视提供了新的技术结构。

　　通过以上的介绍可以看出，由于流媒体视频处理与传输的SoC器件可以分为两大类，一类是以DSP核为核心，另一类则是以嵌入式微处理器核为核心。视频处理SoC应用分析根据SoC技术的基本特征可知，片上系统芯片应当具有如下特点：

　　1）除功率器件外，系统所有的电路全部集成在一个芯片上，所以在使用时只需要配置必要的电路连接和非集成器件。

　　2）使用器件设计应用系统时，不需要复杂的系统和电路设计，只需要根据需要进行必要的设置。

　　3）具有相应的软件平台和软件继承性。

　　由此可以作为安防视频处理SoC器件的设计和评价基础，也是应用设计中需要首先考虑的问题。

 　　从目前工业化的视频监视SoC器件上来看，主要存在如下几个问题：

　　1）专用性与普适性问题。SoC设计中主要考虑应用领域，如果针对的应用领域比较广泛，则器件集成结构就会比较简单。而当具有较专门的应用领域和技术标准时，系统的集成度就会比较高、集成结构就比较复杂。从SoC的要求可以看出，使SoC具有很大的普适性是违背了SoC设计原则的，而普适性又是电子器件设计所追求的一种重要目标。因此，视频监视SoC设计，必须在考虑视频监视系统基本要求之上，尽可能扩大器件的适应性。

　　2）软件硬件化与硬件软件化问题。由于SoC是一个以处理器为核心的高集成度、高复杂度的器件，因此，软件和硬件的最优配合就成为器件设计和器件应用的关键技术之一。所谓软件硬件化就是要求把速度要求高、处理复杂的功能部分，适宜于全硬件来实现，换句话说就是把一些传统上由软件实现的功能用硬件来实现，这样可以极大地提高系统的速度性能。所谓硬件软件化是指把硬件实现的功能用软件来实现，这样做的目的，是充分利用处理器的特性，尽可能地提高系统的普适性和灵活性，为扩大器件应用范围提供基础。

　　3）应用复杂性问题。作为SoC器件，一个基本要求是简化应用技术，如果所使用的SoC器件的应用开发手段、技术和微处理器系统或DSP系统的开发复杂度相当，则这会限制SoC

　　的应用。所以，SoC的应用开发技术应当是简化的微处理器系统或DSP系统的开发技术。这是摆在SoC设计者面前的一个重要课题。

　　结论

　　安防视频监视系统是一个复杂的系统，随着社会信息化程度的不断发展，对其要求也越来越高。图像质量、传输质量、传输速度、传输方式、实时性、安全性和可靠性是安防视频监视系统的七个关键性能指标。

　　因此，视频处理SoC器件设计中必须充分考虑这7项性能要求。为了满足安防视频监视系统的要求，视频处理SoC器件必须在专用性和普适性、软件硬件化和硬件软件化之间寻找一个最佳平衡点，同时，降低应用技术的复杂性也是一个必须着重解决的问题。 （文/李哲英）