نظرًا للحاجة إلى بناء مدينة آمنة ، فقد تم تعزيز تطوير المراقبة بالفيديو ، وبالتالي تم أيضًا تعزيز تطبيق FPGA في هذا المجال.
خاصة الآن بعد أن عززت متطلبات القنوات المتعددة وعالية الوضوح والشبكات وواجهة الاتصال عالية السرعة والذكاء مزيدًا من التطوير في مجال وحدات تحكم جدار الفيديو القائمة على FPGA.
على العكس من ذلك ، أدى تقدم وتجديد تقنية شرائح FPGA وتصميم IP الأساسي والتصميم المرجعي إلى تعزيز تطوير المراقبة بالفيديو.
الآن ، من الصعب تلبية احتياجات الأنظمة عالية الأداء ببساطة باستخدام معالجات DSP أو الرقائق الجاهزة (ASSP).
ومع ذلك ، نظرًا للتكامل والمرونة العاليين للأجهزة الحالية القابلة للبرمجة ، فضلاً عن انخفاض استهلاك الطاقة ونطاق التشغيل الواسع ، تستمر أسعارها في الانخفاض. لذلك ، يتم استخدام الأداء العالي الفريد والمرونة لمصفوفات البوابة المنطقية القابلة للبرمجة (FPGAs). ، حتى يتمكن من إنشاء العديد من منتجات المراقبة بالفيديو.
1. ما الذي يجعل FPGAs رائعة؟
FPGAs قابلة للبرمجة مثل وحدات معالجة الرسومات (GPU) أو وحدات المعالجة المركزية (CPUs) ولكنها تهدف إلى مشاكل متوازية ، منخفضة الكمون ، عالية الإنتاجية مثل الاستدلال والشبكات العصبية العميقة.
تتمتع FPGAs بعدد من الفوائد ، أبرزها السرعة.
بينما تعمل FPGAs بسرعة بطيئة على مدار الساعة بالنسبة لوحدات المعالجة المركزية الحديثة ، فهي متزامنة بشكل أساسي ، بدلاً من تشغيل تدفقات من التعليمات المتسلسلة ، مع تدفق البيانات على النحو الأمثل بين هذه العمليات المتزامنة ، مما يؤدي إلى زيادة صافية كبيرة في الأداء.
هناك إمكانية للتطبيقات للعمل أسرع بما يصل إلى 100 مرة على نفس الكود الذي يعمل على وحدات المعالجة المركزية التقليدية.
تحتوي FPGAs على ملايين الكتل المنطقية القابلة لإعادة البرمجة والتي يمكن استخدامها لأداء العديد من الإجراءات في نفس الوقت ، مما يوفر فوائد التوازي والتزامن.
عند كتابة التعليمات البرمجية ، يمكن للمهندسين الاستفادة من هذه البنية المتوازية عن طريق تقسيم المشكلات إلى عمليات جيدة التنظيم ومكتفية ذاتيًا يمكن تشغيلها بشكل متزامن.
على سبيل المثال ، عندما تتم معالجة الصورة بشكل غير متزامن ، يقوم عامل واحد بمعالجة الصورة بأكملها بكسل بكسل. ولكن عندما تتم معالجة الصورة نفسها بشكل متزامن ، يتم تقسيمها إلى أجزاء تتم معالجتها في وقت واحد بواسطة عمال مختلفين ، ثم يتم تجميعها معًا مرة أخرى.
هذا يجعل العملية أكثر تعقيدًا ولكنها أسرع بكثير - يجب تقسيم البيانات الواردة بطريقة مثالية ، وتوزيعها بكفاءة على العمال ، ثم جمع البيانات المُعالجة وإعادة تجميعها ، بشكل مثالي دون إعاقة خط أنابيب العمل.
في وحدة المعالجة المركزية العادية ، يتضمن ذلك دفع البيانات وسحبها من الذاكرة ، والبروتوكولات المكلفة للعمليات للاتفاق على الحالة الحالية للذاكرة. حتى أكبر معالجات Intel لديها 18 فقط
النوى. بالمقارنة ، في FPGA ، يمكن هندسة تدفق البيانات بحيث لا يترك الشريحة أبدًا.
عشرات الآلاف من العمليات المتزامنة يمكن أن تحدث ، وتوقيت المعالجة هو الأمثل لذلك الإنتاجية
هو دائما الحد الأقصى.
2. تطبيق FPGA في المراقبة الذكية بالفيديو
في الوقت الحالي ، تتطور دقة كاميرات IP تدريجياً من التعريف القياسي D1 إلى الوضوح العالي (1920 × 1080) ، ويجب إجراء ضغط محلي في الوقت الفعلي ، لذلك لا يمكن استخدام الضغط الشديد إلا. في حالة استخدام معالجات DSP متعددة ، ستزداد تكلفة النظام والتكامل واستهلاك الطاقة ، وهو أمر غير مقبول للمستخدمين ؛ إذا تم استخدام جهاز FPGA منخفض التكلفة أحادي الرقاقة ، فلن يتمكن الأداء من تلبية متطلبات التصميم.
ومع ذلك ، إذا تم استخدام جهاز FPGA أحادي الرقاقة عالي الأداء من سلسلة Stratix ، فيمكن تلبية المتطلبات. نظرًا لأن هذا الجهاز يحتوي على جهاز منظم مطابق لسلسلة ASIC-Hard-Copy ، فيمكنه تقليل التكلفة إلى 1/10 وتقليل استهلاك الطاقة بنسبة 50٪. لذلك ، يمكن استخدام جهاز FPGA ككاميرا IP أحادية القناة عالية الوضوح
من أجل مراقبة الصورة متعددة القنوات محليًا ، من الضروري عادةً تعدد إرسال بيانات الفيديو متعدد القنوات وتقسيم الصورة وقياسها. لذلك ، يجب إرسال بيانات تنسيق CCIR656 القياسي إلى جزء قسم تحجيم مضاعفة إرسال الفيديو للمعالجة.
تعد موارد الذاكرة الوفيرة في أجهزة FPGA أكثر ملاءمة للاستخدام كمخزن خطي ضروري لخوارزمية تعدد إرسال الفيديو وقياس حجمه ، لذلك يمكن لهذا الجزء تحقيق وظائف تعدد إرسال وقياس وتجزئة الشاشة بسرعة.
ثم يتم إرسالها إلى جزء ترميز H.264 D1 + CIF متعدد القنوات ، ويمكن لإمكانيات المعالجة المتوازية القوية الكامنة في FPGA تلبية متطلبات سرعة المعالجة لخوارزمية H.264. بالمقارنة مع مخططات تنفيذ معالجات ASSP أو DSP المتعددة ، توفر FPGA أحادية الشريحة أداء نظام أكثر استقرارًا وتكلفة أقل وأفضل نسبة سعر / أداء.
3. استخدم FPGA لتحقيق وظيفة معالجة الفيديو في الوقت الحقيقي DSP
بالمقارنة مع حلول ASSP ومجموعة الشرائح ، يمكن أن توفر FPGA مستويات مختلفة من المرونة وفقًا للاحتياجات الفعلية لمهندسي التصميم وتحافظ على أداء أفضل بشكل ملحوظ من DSPs التقليدية.
تتطلب معالجة الفيديو في الوقت الفعلي أداءً عاليًا للغاية للنظام ، لذا فإن معظم مزودي خدمة الإشارة الرقمية للأغراض العامة مع أبسط الوظائف لا تحتوي على هذه الوظيفة.
يسمح الجهاز المنطقي القابل للبرمجة للمصممين باستخدام تقنية المعالجة المتوازية لتنفيذ خوارزميات معالجة إشارات الفيديو ، ويمكن لجهاز واحد فقط تحقيق الأداء المطلوب.
تحتاج الحلول المستندة إلى DSP عادةً إلى تضمين العديد من DSPs على لوحة واحدة للحصول على إمكانات المعالجة الضرورية ، والتي ستزيد بلا شك من النفقات العامة لموارد البرنامج وموارد ذاكرة البيانات.
نظرًا لصعوبة إرسال بيانات الفيديو ذات النطاق الترددي العالي والحفاظ على جودة الخدمة المناسبة (QoS) على قنوات الإرسال الضيقة للغاية (مثل القنوات اللاسلكية) ، يلتزم المصممون بتحسين تصحيح الأخطاء والضغط ومعالجة الصور بناءً على تطبيق FPGA . تقنية.
جوهر خوارزمية MPEG-4 هو عملية تسمى تحويل جيب التمام المنفصل (DCT). تم توحيد جزء DCT ويمكن تنفيذه بشكل فعال في FPGA. تستخدم العديد من مفككات التشفير MPEG المخصصة أيضًا هذه الأجزاء (مثل وحدات تقدير الحركة). FPGA.
نظرًا لأنه يمكن إعادة تكوين FPGA ، يمكن تحديث الجهاز بسهولة ويمكن دمج خوارزميات جديدة طوال مرحلة التطوير (بما في ذلك ما بعد التكوين).
جزء مهم آخر من نظام الفيديو هو تحويل مساحة اللون. يمكن لهندسة نظام FPGA ضبط خوارزمية نظام التطبيق لتحقيق أفضل أداء وكفاءة.
يمكن أن توفر FPGA المنتجات الأكثر عملية وقيمة عالية الكفاءة وعالية الكفاءة من خلال التعديلات المخصصة. يمكن للمصممين التوفيق بين نطاق التطبيق والسرعة ، وذلك لتحقيق الوظيفة المحددة بمعدل أقل بكثير من ساعة DSP.
على سبيل المثال ، في تطبيق المرشح المتوسط ، يحتاج معالج DSP إلى 67 دورة ساعة لتنفيذ الخوارزمية ، بينما يحتاج FPGA فقط إلى العمل بتردد 25 ميجاهرتز ، لأن FPGA يمكنه تنفيذ هذه الوظيفة بالتوازي.
لكن DSP الذي يدرك الوظيفة المذكورة أعلاه يجب أن يعمل تحت تردد 1.5 جيجاهرتز ، ويمكن ملاحظة أنه في هذا التطبيق المعين ، يمكن أن تصل سعة معالجة حل FPGA إلى 17 مرة من معالج 100 ميجاهرتز DSP.
العديد من وظائف معالجة الصور والفيديو في الوقت الفعلي مناسبة للتنفيذ مع أجهزة FPGA ، بما في ذلك: تدوير الصورة ، وقياس الصورة ، وتصحيح الألوان ، وتصحيح اللون ، وتحسين الظل ، واكتشاف الحواف ، ووظيفة الرسم البياني ، والشحذ ، والمرشح المتوسط ، وتحليل البقع ، إلخ. تستهدف الوظائف تطبيقات وأنظمة محددة ، وهي مبنية على قمة البنية الأساسية (مثل مرشحات 2D-FIR).
4. استخدم FPGA لبناء وحدات تحكم في جدار الصور والفيديو للأنظمة المدمجة
إن استخدام أجهزة FPGA لبناء وحدات تحكم في الفيديو والصورة يجعل تقنية عرض الصور تدخل المزيد والمزيد من التطبيقات المضمنة. نظرًا للجمع المثالي بين الأداء والمرونة ، أصبحت تطبيقات FPGA في مجال DSP أكثر شيوعًا.
iSEMC أطلقت سلسلة مصفوفة بوابات قابلة للبرمجة (FPGA) جديدة ذات مجال منخفض الطاقة من وحدات التحكم في جدار الفيديو ، مما زاد من توسيع مواردها لمجموعة واسعة من الحلول القابلة للبرمجة منخفضة الطاقة للتصميمات الواعية للطاقة.
توفر أجهزة FPGA الجديدة أفضل استهلاك للطاقة والمنطقة والمنطق ونسب الوظيفة لكل I / O في الأجهزة المنطقية القابلة للبرمجة. هذا يجعله خيارًا مثاليًا للأجهزة الإلكترونية المحمولة في تطبيقات الإلكترونيات الاستهلاكية ، والصناعية ، والاتصالات ، والطبية ، وتطبيقات الاختبار ، خاصة تلك التي تتطلب عمليات ناقل ذاكرة مكثفة I / O ، وتوسيع I / O للأغراض العامة ، والتسلسل ، وتحويل الواجهة ، التخزين ، وتطبيق شاشة تعمل باللمس واجهة الإنسان والآلة وتكنولوجيا لوحة المفاتيح.
