基于Blackfin的无线IP视频监控设计

　　在当前的国际金融危机下，视频监控是少数逆市增长的行业之一。市场调研机构ABI Research预测，2009年将有两类电子产品持续快速增长，其中就包括视频监控，特别是基于IP的视频监控应用。据iSuppli公司预计，与视频监控应用紧密相关的中国安防产业到2012年的营收将从2007年的151亿美元增长到247亿美元。

　　事实上，2008年全球视频监控市场销售额实现了30%至40%的增长，这主要得益于数字视频监控技术的不断成熟和政府对平安城市建设等相关产业的投资拉动。传统视频监控设备集中于金融、交通、公共设施等行业市场，随着监控设备的价格门槛越来越低，特别是无线IP视频的规模化应用，未来监控系统将逐步扩展到各行各业乃至家庭用户。

　　当前3G移动通信网络已经在全球主要国家大面积部署，同时WiFi热点日益普遍，基于无线宽带的IP视频监控应用即将呈现井喷之势。无线IP视频监控网络构建灵活而方便，可提供平安城市、应急指挥、环保监控、中小企业监控、家庭监控等面向不同目标用户的贴身解决方案。

　　目前，包括亿维东方、合肥优视等国内领先的视频监控设计方案提供商都将无线视频监控产品作为2009年的重点方向之一。此外，除了无线应用的增长发展趋势外，随着监控应用的规模化和网络化，智能化将是视频监控系统发展的另外一个必然趋势。具有智能分析功能的新一代监控系统将大大扩展视频监控的应用领域，除了传统的安防应用外，人体行为（脱岗检测、徘徊检测）和智能交通将开辟大量的新兴应用市场。

　　Blackfin解决方案满足无线应用更高功能和性能要求

　　传统的视频监控应用以行业用户为主，采用MCU+ASIC方案，这类视频监控应用通常实现低分辨率的视频信号处理、基本控制和数据传输，图像质量较差，功能较单一。随着视频监控技术的进步以及应用需求的增长，更高的视频体念、无线IP连接和智能分析功能发展趋势使这类应用方案正面临性能捉襟见肘的尴尬。

　　无线传输与有线传输最大的差别是无线网络带宽不稳定，基于DSP的方案采用软件的实现方式，可以根据带宽调整视频的大小、码流、帧数等，针对无线信道特点优化视频压缩算法，因此无论网络情况如何，都可以保障视频的流畅，不像采用MCU+ASIC方案所常见的马赛克和断帧的现象。无线应用通常由于环境更为多样化，无线模块本身也是功耗消耗以及散热的大户，甚至有些移动应用是电池供电，对处理器的低功耗有很高的要求。MCU+ASIC（或MCU+DSP）的双处理器芯片架构决定了其功耗对于无线特别是移动无线应用相对较高。

　　此外，随着技术的进步，基于IP的视频监控逐渐向包括高清特性的更高视频体验的趋势发展，而其结果是更复杂的算法，以及对主芯片的处理能力提出更高的要求。传统的监控摄像机基于像素分辨率为CIF格式，压缩标准复杂度低，从而对主芯片的处理性能要求不高。但是随着IP视频监控的迅速发展以及相关视频标准的进步，人们期待更高的图像清晰度和更高的帧率，如D1（704×576）或者更高的清晰度。同时，随着无线IP视频监控的流行，还需要考虑如何在传输过程中占用更少的带宽，因此MPEG4和H.264正在成为主流。而这些更高的视频信号分辨率和压缩格式大大提高了对核心处理器的处理能力的需求。而传统的MCU+ASIC的方案要实现更高清晰度的视频，通常必须增加协处理器。

　　此外，人脸识别、运动物体主动追踪、人流统计等多种智能功能已开始逐渐广泛商用。对于这类需要智能图像分析的特定应用来说，传统解决方案无法完成视频分析所需要进行的大量运算处理，必须在MCU+ASIC之外增加协处理器，这种复杂的解决方案无论是BOM成本、功耗还是开发难度都不足取。视频监控系统的网络化和分布式处理的要求，以及大规模工程安装对成本、体积和功耗的限制和非标准化的智能视频分析，使得具有软件设计的灵活性和具有强大处理能力的DSP具有更明显的优势。

　　然而，单纯的DSP处理器虽然具有非常灵活的处理方式，图形处理功能也比较强大，但由于这类器件通常采用传统的信号处理架构，而并非为视频监控而优化设计，因而通常会占用较多的系统资源，对于一些控制功能要求较高和码率较高的场合同样缺乏竞争力。

　　而以Blackfin为代表的汇聚处理器有效地解决了上述问题，为音视频标准不断变化以及算法不断改进的无线IP视频监控应用和智能视频监控应用带来福音。Blackfin处理器基于由ADI和Intel公司联合开发的微信号架构（MSA），它将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加（MAC）信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。这种特征的组合使得Blackfin处理器能够在信号处理和控制处理应用中均发挥出色的作用，兼具MCU和DSP的优点，极大地简化了硬件和软件设计实现任务。基于Blackfin处理器的方案利用软件来实现视频压缩算法，这使得制造商能够在不变更硬件的情况下适应不断发展的标准、不同客户的需求，以及满足新型功能要求。

　　Blackfin处理器代表着新的16/32位嵌入式处理器，其独特的架构和内置的4个8位视频ALU以及针对视频应用定义的独特指令都能非常高效地处理业界标准视频算法，非常适合无线IP视频监控这类需要汇聚处理能力的应用。Blackfin的几十个DMA通道和可灵活配置的高速缓存很好地满足了视频监控系统对大运算量、高数据吞吐率的要求，十级流水线使得Blackfin有很强的指令并行执行能力。此外，Blackfin支持ThreadX、Nucleus、uCOS-II和uCLinux等十多种嵌入式操作系统，为客户提供了熟悉的软件架构基础。Blackfin为高强度、高数据率的数字和媒体处理做了专门优化，是理想的视频处理器，具有极高的性价比。

　　此外，它的低功耗特性非常适合体积小巧的IP摄像头，以及对功耗非常敏感的电池供电或移动无线IP视频监控应用。Blackfin处理器采用了多种节能技术：基于一种选通时钟内核设计，可按照逐条指令来选择性地切断功能单元的电源；支持多种针对所需CPU动作极少期间的断电模式；Blackfin处理器支持一种自含动态电源管理电路，借助该电路即可对工作频率和电压进行独立控制，以满足正在执行的算法的性能要求；大多数Blackfin处理器都提供片上内核稳压电路，并可在低至0.8V的电压下工作。而Blackfin独特的汇聚式处理架构、90nm工艺等打下了其领先的低功耗处理的基础，可以为无线IP视频监控产品提供最佳的性能功耗比。

　　值得一提的是，无论是CDMA还是3G模块，相比有线网络而言，无线信道带宽都较窄，码率较低。而低码率的视频编码器性能是一个最大的挑战。在目前市面上的DSP、SoC、ASIC等方案中，尽管可支持D1甚至720P等大尺寸高码流压缩的方案很多，却鲜有可支持低码率（几十至几百Kbps）条件下的高质量视频编码器或软件库。而ADI很早就开始这方面的工作并获得用于实际产品的算法成果，已经支持第三方基于Blackfin成功地开发出了完整方案。

　　典型应用案例分析

　　应用案例一：3G无线视频监控产品方案

　　BVWVS2007 3G无线视频监控方案是安徽某公司的成熟产品，该方案提供了丰富的功能特性，是无线视频监控摄像机等产品的完整、成熟的解决方案，该方案采用了性能强大的双内核ADSP BF561处理器。

　　随着并行处理的优势越来越明显，多核架构已经成为业界公认的未来嵌入式处理器的主流，而BF561就是这样的典范，该处理器目前已经成为包括无线IP视频监控等中高端应用的广泛选择。BF561具有两个高性能DSP内核、灵活的高速缓存架构，以及增强的DMA子系统，适合执行复杂的控制和信号处理任务，同时保持高速的数据吞吐率。此外，Blackfin处理器的动态电源管理能力显着降低整个功耗--这对采用BVWVS2007方案的电池供电产品来说非常重要。BF561处理器使合肥优视的BVWVS2007方案实现了可变分辨率及目标跟踪等高级特性，同时由于高性能及高集成度，在材料清单成本上也极具吸引力。在该方案中，BF561的双内核分别用于实现运行uClinux嵌入式操作系统、用户交互控制和视频编码算法等，该方案在CIF分辨率下利用H.264编码实现了两路视频压缩编码，实现了双码流，一路低码流用于无线视频传输，另一路高码流则本地存储到SD卡/NAND/SATA硬盘，充分发挥了该处理器的双核性能优势。在无线视频监控这样典型的窄带传输应用系统中，Blackfin的H.264 编码器在30~100kbps的低码流下所表现出来的优异的图像压缩效果，是目前最核心的竞争力。

　　对于大批量的中端视频安全监控市场，性价比是最关键的因素。BF561处理器在强大的单芯片上实现了双内核的数字信号处理与控制处理的完美结合，不仅满足了产品的性能目标，同时也提高了解决方案的性价比。目前，该公司可以针对客户的需求提供多种成熟的无线视频监控方案，包括针对单路CDMA、EV-DO、EDGE、TD-SCDMA、WCDMA以及WiFi无线局域网的H.264视频监控的完整方案以及4路的公交车移动监控DVR/DVS系统方案等。随着中国的视频安全监控市场的需求不断增长，BVWVS2007方案可以帮助中国无线视频监控制造企业快速引进基于Blackfin处理器的成熟稳定的先进产品方案。 

　　该公司市场经理黄宁：“Blackfin处理器使产品实现了可变分辨率及目标跟踪等高级特性，并在单芯片上提供了无线视频监控所必需的H.264视频压缩编码、双码流、传输和存储，同时由于高性能及高集成度，在材料清单成本上也极具价格吸引力。” 

　　应用案例二：亿维东方“软件+硬件”交钥匙整体方案

　　亿维东方（Emvideo）推出的“软件+硬件”交钥匙的WiFi无线视频监控整体解决方案基于BF536+BF561的双处理器架构，方案硬件结构图如图2所示。其中BF536处理器作为主处理器，除负责完成音频编码、远程控制以及用户交互控制等一些基本的管理与控制外，还负责嵌入式操作系统uClinux的运行，以及先进的智能视频分析功能，可以完成安防、人体行为、智能交通等多项智能视频分析。双核BF561作为协处理器负责视频编码算法，其强大的视频处理能力使得该方案实现了H.264基本类@Level3.0和MPEG4 D1+CIF双码流的支持，未来更将可能扩展到支持H.264 D1+CIF的双码流。两个处理器之间通过高速同步串行接口通讯，视频信号首先进入BF561处理器，采集编码后的码流发送到BF536处理器，然后通过网络发送到客户端进行解码显示。

　　该方案采用了先进的背景建模方法，能有效地克服光线变化、树叶摆动以及水面波纹等背景对前景目标分析产生的干扰，实现准确的前景检测，同时在目标跟踪上采用了独特的优化算放，实现了在入侵检测（包括区域警戒、绊线检测）的应用上超过90%的准确率。而所有这些都是基于BF536+BF561双处理器的硬件架构所具有的强大处理能力来实现的。

　　该方案的智能视频分析功能由亿维东方公司自主开发，独特的算法和丰富的智能视频分析技术开发经验确保实现客户的智能识别应用需求，并为客户提供包括软件升级在内的完善服务。由于智能视频识别应用目前并没有任何可循的需求标准和测试标准，因此视频分析方案通常需要针对客户的应用特点和需求进行方案优化，这是传统的MCU+ASIC方案所难以实现的，而基于Blackfin处理器的软件实现方案可以方便地进行这种“定制化”的优化设计。

　　该方案的软硬件都经过了应用验证，目前已经由多家客户进行生产，目标应用将主要是政府行政效能监测、教育系统等行业用户。此外，亿维东方还可以向客户提供包括客户端程序在内的全套方案。

　　强大的生态系统为您提供全面支持

　　除了向客户提供Blackfin芯片和方案这样的价值创造平台，ADI也一直致力于营造良好的DSP生态系统，以帮助广大的创新者能够利用先进的DSP技术实现他们的想法和创新价值。ADI公司大力支持第三方合作伙伴，使他们能针对中国市场的特点和需求设计出本地化的完整方案和开发工具，以更低的价位、更方便使用以及支持更便利的特点，帮助客户减少评估和开发成本，降低学习和开发门槛。

　　视频监控是ADI的策略性的重点市场，ADI将在视频监控行业持续投入，除了提供性能卓越的系列Blackfin处理器，用户还可以获得大量免费资源，包括H.264编码算法模块、H.264 BP解码器、视频对象检测器，等等。在加速客户市场反应方面，为避免工程师在从其它处理器平台移植到Blackfin平台时，因更改操作系统而延长终端产品开发周期，Blackfin处理器支持包括以VDK、ThreadX、uClinux和Nucleas等在内的全系列操作系统。并在uClinux里集成了很多硬件驱动，包括WiFi的驱动、音/视频编解码器的驱动等，从而帮助客户方便地从原来的系统移植到Blacifin平台上来。同时，ADI还为Blackfin处理器平台推出了包括VisualDSP++软件开发环境、EZ-KIT Lite评估系统和用于片上快速调试的仿真器在内的CROSSCORE开发工具套件，为工程师开发和优化DSP系统提供了更方便、可靠的方法。

　　ADI将继续加大针对视频监控应用的生态系统建设，通过这一强大的生态系统为终端产品开发商提供了更加先进的、完善的“交钥匙”方案和全方位的技术支持，并将利用基于Blackfin处理器的各种软硬件资源和强大技术支持能力帮助中国无线视频监控设备制造商赢得市场先机！