เนื่องจากความจำเป็นในการก่อสร้างเมืองที่ปลอดภัย การพัฒนากล้องวงจรปิดจึงได้รับการส่งเสริมเพิ่มเติม ดังนั้นจึงส่งเสริมการใช้ FPGA ในสาขานี้ด้วย
โดยเฉพาะอย่างยิ่งตอนนี้ความต้องการสำหรับหลายช่องสัญญาณ, ความละเอียดสูง, เครือข่าย, อินเทอร์เฟซการสื่อสารความเร็วสูง และความชาญฉลาดได้ส่งเสริมการพัฒนาเพิ่มเติมในด้านของ ตัวควบคุมวิดีโอวอลล์ที่ใช้ FPGA.
ในทางตรงกันข้าม ความก้าวหน้าและการต่ออายุของเทคโนโลยีชิป FPGA, แกน IP และการออกแบบอ้างอิงได้ส่งเสริมการพัฒนาการเฝ้าระวังวิดีโอ
ในตอนนี้ เป็นการยากที่จะตอบสนองความต้องการของระบบที่มีประสิทธิภาพสูงโดยเพียงแค่ใช้โปรเซสเซอร์ DSP หรือชิปที่ใช้งานได้ปกติ (ASSP)
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการผสานรวมและความยืดหยุ่นสูงของอุปกรณ์ที่ตั้งโปรแกรมได้ในปัจจุบัน ตลอดจนการใช้พลังงานต่ำและช่วงการทำงานที่กว้าง ราคาจึงลดลงอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นจึงใช้อาร์เรย์เกทลอจิกแบบตั้งโปรแกรมได้ (FPGA) ประสิทธิภาพสูงและยืดหยุ่นเป็นพิเศษ เพื่อให้สามารถสร้างผลิตภัณฑ์กล้องวงจรปิดได้มากมาย
1.อะไรที่ทำให้ FPGA โดดเด่น?
FPGA สามารถตั้งโปรแกรมได้เช่น GPU หรือซีพียู แต่มุ่งเป้าไปที่ปัญหาแบบขนานความหน่วงต่ำทรูพุตสูงเช่นการอนุมานและ Deep Neural Networks
FPGAs มีประโยชน์มากมาย โดยที่เด่นที่สุดคือความเร็ว
แม้ว่า FPGA จะทำงานที่ความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่ช้าเมื่อเทียบกับ CPU สมัยใหม่ แต่ก็ทำงานพร้อมกันโดยพื้นฐาน แทนที่จะเรียกใช้สตรีมของคำสั่งตามลำดับ โดยข้อมูลจะไหลอย่างเหมาะสมระหว่างการดำเนินการที่เกิดขึ้นพร้อมกันเหล่านี้ ส่งผลให้ประสิทธิภาพสุทธิเพิ่มขึ้นอย่างมาก
มีความเป็นไปได้ที่แอปพลิเคชันจะทำงานได้เร็วขึ้นถึง 100 เท่าเมื่อเทียบกับรหัสเดิมที่ทำงานบนซีพียูแบบเดิม
FPGA ประกอบด้วยลอจิกบล็อกที่สามารถตั้งโปรแกรมใหม่ได้หลายล้านบล็อกที่สามารถใช้ดำเนินการหลายอย่างพร้อมกันได้ ทำให้เกิดประโยชน์จากการทำงานแบบขนานและการทำงานพร้อมกัน
เมื่อเขียนโค้ด วิศวกรสามารถใช้ประโยชน์จากสถาปัตยกรรมคู่ขนานนี้โดยแบ่งปัญหาออกเป็นกระบวนการที่มีโครงสร้างดีและมีอยู่ในตัวเองซึ่งสามารถทำงานพร้อมกันได้
ตัวอย่างเช่น เมื่อภาพได้รับการประมวลผลไม่พร้อมกัน ผู้ปฏิบัติงานคนเดียวจะประมวลผลภาพทั้งหมดทีละพิกเซล แต่เมื่อภาพเดียวกันได้รับการประมวลผลพร้อมๆ กัน ภาพนั้นจะถูกแยกย่อยออกเป็นชิ้นๆ ซึ่งประมวลผลพร้อมกันโดยผู้ปฏิบัติงานต่างกัน แล้วประกอบกลับเข้าด้วยกัน
สิ่งนี้ทำให้กระบวนการซับซ้อนขึ้นแต่เร็วกว่ามาก - ข้อมูลที่เข้ามาจะต้องถูกแยกออกจากกันด้วยวิธีที่เหมาะสมที่สุด กระจายไปยังผู้ปฏิบัติงานอย่างมีประสิทธิภาพ จากนั้นจึงรวบรวมข้อมูลที่ประมวลผลแล้วรวบรวมและประกอบใหม่ โดยไม่ปิดกั้นขั้นตอนการทำงาน
ใน CPU ปกติ สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับข้อมูลที่ถูกผลักและดึงออกจากหน่วยความจำ และโปรโตคอลที่มีค่าใช้จ่ายสูงสำหรับกระบวนการต่างๆ เพื่อตกลงกับสถานะปัจจุบันของหน่วยความจำ แม้แต่ซีพียู Intel ที่ใหญ่ที่สุดก็มีเพียง18
แกน ในการเปรียบเทียบ ใน FPGA โฟลว์ข้อมูลสามารถออกแบบได้เพื่อไม่ให้หลุดจากชิป
สามารถเกิดขึ้นได้หลายหมื่นกระบวนการพร้อมกัน และจังหวะเวลาของการประมวลผลได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อปริมาณงาน
มีค่าสูงสุดเสมอ
2. การประยุกต์ใช้ FPGA ในการเฝ้าระวังวิดีโออัจฉริยะ
ในปัจจุบัน ความละเอียดของกล้อง IP ค่อยๆ พัฒนาจากความละเอียดมาตรฐาน D1 เป็นความคมชัดสูง (1920×1080) และต้องทำการบีบอัดตามเวลาจริงในพื้นที่ ดังนั้นการบีบอัดแบบฮาร์ดจึงทำได้เพียงเท่านั้น หากใช้โปรเซสเซอร์ DSP หลายตัว ต้นทุนของระบบ การรวมระบบ และการใช้พลังงานจะเพิ่มขึ้น ซึ่งผู้ใช้ไม่สามารถยอมรับได้ หากใช้อุปกรณ์ FPGA ราคาประหยัดเพียงชิปเดียว ประสิทธิภาพจะไม่ตรงตามข้อกำหนดการออกแบบ
อย่างไรก็ตาม หากใช้อุปกรณ์ FPGA Stratix ซีรีส์ประสิทธิภาพสูงชิปตัวเดียวก็สามารถทำตามข้อกำหนดได้ เนื่องจากอุปกรณ์นี้มีอุปกรณ์ซีรีส์ ASIC-Hard-Copy ที่มีโครงสร้างสอดคล้องกัน จึงสามารถลดต้นทุนได้อีก 1/10 และลดการใช้พลังงานลง 50% ดังนั้นอุปกรณ์ FPGA นี้จึงสามารถใช้เป็นกล้อง IP ความละเอียดสูงแบบช่องสัญญาณเดียวได้
ในการตรวจสอบรูปภาพแบบหลายช่องสัญญาณในเครื่อง โดยปกติจำเป็นต้องทวีคูณข้อมูลวิดีโอแบบหลายช่องสัญญาณ และแบ่งและปรับขนาดรูปภาพ ดังนั้น ข้อมูลรูปแบบ CCIR656 มาตรฐานจะต้องถูกส่งไปยังส่วนการแบ่งสเกลวิดีโอมัลติเพล็กซ์สำหรับการประมวลผล
ทรัพยากรหน่วยความจำมากมายในอุปกรณ์ FPGA นั้นเหมาะสมกว่าสำหรับใช้เป็นบัฟเฟอร์บรรทัดที่จำเป็นสำหรับอัลกอริธึมมัลติเพล็กซ์วิดีโอและสเกล ดังนั้นส่วนนี้จึงสามารถรับรู้ฟังก์ชันมัลติเพล็กซ์หน้าจอ สเกล และการแบ่งส่วนได้อย่างรวดเร็ว
จากนั้นจะถูกส่งไปยังส่วนการเข้ารหัส H.264 D1+CIF แบบหลายช่องสัญญาณ และความสามารถในการประมวลผลแบบคู่ขนานอันทรงพลังที่มีอยู่ใน FPGA สามารถตอบสนองความต้องการความเร็วในการประมวลผลของอัลกอริธึม H.264 เมื่อเทียบกับรูปแบบการใช้งานโปรเซสเซอร์ ASSP หรือ DSP หลายตัว FPGA แบบชิปเดียวให้ประสิทธิภาพของระบบที่เสถียรกว่า ต้นทุนที่ต่ำกว่า และอัตราส่วนราคา/ประสิทธิภาพที่ดีที่สุด
3. ใช้ FPGA เพื่อรับรู้ฟังก์ชันการประมวลผลวิดีโอแบบเรียลไทม์ของ DSP
เมื่อเปรียบเทียบกับโซลูชัน ASSP และชิปเซ็ต FPGA สามารถให้ระดับความยืดหยุ่นที่แตกต่างกันตามความต้องการที่แท้จริงของวิศวกรออกแบบ และรักษาประสิทธิภาพได้ดีกว่า DSP แบบเดิมอย่างมีนัยสำคัญ
การประมวลผลวิดีโอแบบเรียลไทม์ต้องการประสิทธิภาพของระบบที่สูงมาก ดังนั้น DSP ทั่วไปเกือบทั้งหมดที่มีฟังก์ชันที่ง่ายที่สุดจึงไม่มีฟังก์ชันนี้
อุปกรณ์ลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ช่วยให้นักออกแบบใช้เทคโนโลยีการประมวลผลแบบขนานเพื่อใช้อัลกอริธึมการประมวลผลสัญญาณวิดีโอ และมีอุปกรณ์เพียงเครื่องเดียวเท่านั้นที่สามารถบรรลุประสิทธิภาพที่ต้องการได้
โซลูชันที่ใช้ DSP มักจะต้องฝัง DSP จำนวนมากในบอร์ดเดียวเพื่อให้ได้ความสามารถในการประมวลผลที่จำเป็น ซึ่งจะเพิ่มค่าใช้จ่ายของทรัพยากรโปรแกรมและทรัพยากรหน่วยความจำข้อมูลอย่างไม่ต้องสงสัย
เนื่องจากเป็นการยากมากที่จะส่งข้อมูลวิดีโอแบนด์วิดธ์สูง และรักษาคุณภาพการบริการ (QoS) ที่เหมาะสมบนช่องทางการส่งข้อมูลที่แคบมาก (เช่น ช่องสัญญาณไร้สาย) นักออกแบบจึงมุ่งมั่นที่จะปรับปรุงการแก้ไขข้อผิดพลาด การบีบอัด และการประมวลผลภาพตามการใช้งาน FPGA . เทคโนโลยี.
แกนหลักของอัลกอริธึม MPEG-4 คือการดำเนินการที่เรียกว่า Discrete Cosine Transform (DCT) ส่วน DCT ได้รับมาตรฐานและสามารถนำไปใช้งานใน FPGA ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวถอดรหัส MPEG เฉพาะจำนวนมากยังใช้ส่วนเหล่านี้ (เช่น โมดูลการประมาณการเคลื่อนไหว) เอฟพีจีเอ
เนื่องจาก FPGA สามารถกำหนดค่าใหม่ได้ อุปกรณ์จึงสามารถรีเฟรชได้ง่าย และสามารถรวมอัลกอริธึมใหม่ได้ตลอดขั้นตอนการพัฒนา (รวมถึงหลังการกำหนดค่า)
อีกส่วนที่สำคัญของระบบวิดีโอคือการแปลงพื้นที่สี สถาปัตยกรรมระบบ FPGA สามารถปรับอัลกอริธึมของระบบแอปพลิเคชันเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพและประสิทธิผลสูงสุด
FPGA สามารถจัดหาผลิตภัณฑ์ประสิทธิภาพสูงและประสิทธิภาพสูงที่ใช้งานได้จริงและมีคุณค่ามากที่สุดผ่านการปรับเปลี่ยนแบบกำหนดเอง นักออกแบบสามารถประนีประนอมระหว่างขอบเขตของการใช้งานและความเร็ว เพื่อให้ตระหนักถึงฟังก์ชันที่ระบุในอัตราที่ต่ำกว่านาฬิกา DSP มาก
ตัวอย่างเช่น ในแอปพลิเคชันตัวกรองค่ามัธยฐาน โปรเซสเซอร์ DSP ต้องการ 67 รอบสัญญาณนาฬิกาเพื่อดำเนินการอัลกอริทึม ในขณะที่ FPGA ต้องการทำงานที่ความถี่ 25MHz เท่านั้น เนื่องจาก FPGA สามารถใช้ฟังก์ชันนี้แบบขนานได้
แต่ DSP ที่ตระหนักถึงฟังก์ชันดังกล่าวต้องทำงานภายใต้ความถี่ 1.5GHz จะเห็นได้ว่าในแอปพลิเคชันนี้ ความสามารถในการประมวลผลของโซลูชัน FPGA สามารถเข้าถึงโปรเซสเซอร์ DSP 17MHz ถึง 100 เท่า
ฟังก์ชันการประมวลผลภาพและวิดีโอแบบเรียลไทม์จำนวนมากเหมาะสำหรับการใช้งานกับอุปกรณ์ FPGA ได้แก่ การหมุนภาพ การปรับมาตราส่วนของภาพ การแก้ไขสีและการแก้ไขสี การเพิ่มเงา การตรวจจับขอบ ฟังก์ชันฮิสโตแกรม การเพิ่มความคมชัด ตัวกรองค่ามัธยฐาน และการวิเคราะห์จุด ฯลฯ จำนวนมาก ฟังก์ชันต่างๆ มุ่งเป้าไปที่แอปพลิเคชันและระบบเฉพาะ และสร้างขึ้นบนสถาปัตยกรรมหลัก (เช่น ตัวกรอง 2D-FIR)
4. ใช้ FPGA เพื่อสร้างตัวควบคุมรูปภาพและวิดีโอวอลล์สำหรับระบบฝังตัว
การใช้อุปกรณ์ FPGA เพื่อสร้างตัวควบคุมวิดีโอและรูปภาพทำให้เทคโนโลยีการแสดงภาพเข้าสู่แอปพลิเคชันที่ฝังตัวมากขึ้น เนื่องจากการผสมผสานที่ลงตัวระหว่างประสิทธิภาพและความยืดหยุ่น แอปพลิเคชัน FPGA ในฟิลด์ DSP จึงกลายเป็นเรื่องธรรมดามากขึ้นเรื่อยๆ
ไอเอสอีเอ็มซี ได้เปิดตัวชุดควบคุมวิดีโอวอลล์แบบ low-power field programmable gate array (FPGA) ซึ่งขยายทรัพยากรเพิ่มเติมสำหรับโซลูชันแบบตั้งโปรแกรมที่ใช้พลังงานต่ำสำหรับการออกแบบที่คำนึงถึงพลังงาน
อุปกรณ์ FPGA ใหม่ให้อัตราการใช้พลังงาน พื้นที่ ตรรกะ และฟังก์ชันที่ดีที่สุดต่อ I/O ในอุปกรณ์ลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค อุตสาหกรรม การสื่อสาร การแพทย์ และการทดสอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุปกรณ์ที่ต้องใช้การทำงานของบัสหน่วยความจำที่เน้น I/O การขยาย I/O วัตถุประสงค์ทั่วไป การจัดลำดับ การแปลงอินเทอร์เฟซ การจัดเก็บและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีหน้าจอสัมผัสและแป้นพิมพ์อินเทอร์เฟซสำหรับมนุษย์