О. Чжан
Новости Электроники 14, 2008
В статье специалисты компании HikVision описывают, как создавалось оборудование для видеонаблюдения, в т.ч. цифровые видеорекордеры, цифровые видеосерверы и автономные IP-модули видеонаблюдения с применением процессоров последнего поколения компании Texas Instruments, основанных на технологии DaVinci™. Освещены особенности и преимущества процессоров DaVinci при использовании в системах видеонаблюдения, а также вопросы, связанные с выбором программного обеспечения для таких систем. Системы видеонаблюдения находят новые области применения, которые требуют более высокого разрешения изображений, большего числа каналов, а также возможности анализа видеоданных, связанного с очень большим объемом вычислений. Кроме того, такие системы должны обеспечивать низкую потребляемую мощность и стоимость. Компания HikVision, ведущий поставщик цифровых видеорекордеров (DVR), цифровых видеосерверов (DVS) и модулей IP-видеонаблюдения, предлагает свои изделия последнего поколения, которые отвечают этим требованиям. Ранее материал публиковался в журнале «Электронные компоненты» №7/2008.
Выбор аппаратного обеспечения
В продуктах HikVision предыдущего поколения были использованы цифровые сигнальные процессоры (DSP) TMS320C6000TM компании Texas Instruments (TI) совместно с процессором ARM. Такая комбинация хорошо зарекомендовала себя в этих изделиях, однако возникла необходимость повысить производительность системы в связи с требованиями заказчиков по увеличению числа каналов и улучшению качества изображения.
При выборе платформы для изделий следующего поколения учитывались многие факторы, в частности, производительность, энергопотребление, цена и удобство разработки. Решения на базе заказных микросхем (ASIC) обеспечивают высокую производительность при самом низком энергопотреблении и стоимости за единицу продукции. Однако с микросхемами ASIC связан ряд проблем. Одна из них (и она становится все серьезней) - это высокая стоимость разработки и большие затраты времени. Для компенсации затрат на разработку требуются чрезмерно высокие объемы реализации. Другая проблема, связанная с такими микросхемами, это их недостаточная гибкость. Отличаясь длительным циклом разработки, ASIC не обеспечивают эффективное реагирование на быстро изменяющиеся запросы потребителей.
Хотя программируемые микросхемы FPGA и процессоры с массовым параллелизмом обеспечивают необходимый уровень программируемости и дополнительные видеоканалы, эти устройства имеют свои недостатки, а именно, их программирование может вызывать затруднение. Для новых продуктов требовалось удобное программируемое решение, обеспечивающее повышенную производительность при сохранении низкого энергопотребления, простой модели программирования и невысокой цены.
Использование нового процессора компании TI оказалось привлекательным вариантом по целому ряду причин. Самая очевидная из них - это возможность использовать существующий программный код. Компания HikVision вложила значительные ресурсы в реализацию хорошо оптимизированных кодеков для DSP TMS320C62xTM. Поскольку следующее поколение DSP компании TI совместимо по системе команд с устройствами C62xTM, то перенос существующего программного кода можно выполнить с минимумом усилий. Другая причина - это инструментальные средства. Специалисты компании HikVision хорошо знакомы с инструментом Code Composer Studio компании TI, обеспечивающим проверенную среду разработки и широкий набор функциональных возможностей. И самое важное, в планах компании TI предусмотрены многообещающие разработки цифровых медиапроцессоров семейства DaVinciTM.
Устройства семейства DaVinci компании TI включают в себя четырнадцать цифровых медиапроцессоров на базе разработанного компанией TI ядра DSP TMS320C64x+TM, обладающего высокой производительностью. Флагманские продукты этого семейства (см. рис. 1) объединяют ядро DSP C64x+TM с процессором ARM9 и подсистемой обработки видеоданных (Video Processing Subsystem, VPSS), которая является хост-системой для аппаратных ускорителей, выполняющих общие задачи обработки видеоданных. Четыре схемы семейства DaVinci имеют эту базовую конфигурацию.
Рис. 1. Блок-схема высокого уровня процессоров TSM320DM644x компании TI
У девяти - ядро ARM отсутствует, но имеется ядро C64x+ и подсистема VPSS.
Устройства на основе технологии DaVinci обеспечивают оптимальное решение, поскольку они сочетают преимущества ASIC и программируемых DSP. В этих приборах предусмотрены фиксированные (и в тоже время конфигурируемые) функции ускорителей в подсистеме VPSS для таких задач обработки видеоданных как кодирование, декодирование и отображение. Кроме того, устройства семейства DaVinci обеспечивают цены на уровне микросхем ASIC и необходимую производительность для решения сложных задач, связанных с применением в системах видеонаблюдения. Предоставляя разработчикам возможности высокопроизводительного программируемого DSP, устройства семейства DaVinci обеспечивают достаточный уровень гибкости для быстрой реализации такой новой функции как анализ видеоданных. К этой теме мы вернемся в этой статье ниже.
Благодаря широкому выбору продуктов в семействе DaVinci эти устройства могут применяться во всех группах изделий (DVR, DVS и IP-модули). Это позволяет использовать универсальную схему дизайна для разных целей, что существенно снижает расходы на проектирование и стоимость системы. Кроме того, объединяя ядро ARM и аппаратные ускорители на одном кристалле, компоненты на основе технологии DaVinci обеспечивают увеличение производительности при меньшей цене и энергопотреблении. Повышенная степень интеграции является особенно важным фактором при разработке IP-модулей видеонаблюдения, где снижение стоимости и энергопотребления являются ключевыми проблемами.
Программное обеспечение
Конкуренция в области систем видеонаблюдения крайне высока. Чтобы соперничать с решениями на основе ASIC, обеспечивающими более низкое энергопотребление и стоимость, компания HikVision воспользовалась преимуществами программного обеспечения. За счет его гибкости можно более эффективно реагировать на специфические и изменяющиеся требования заказчиков, чем при использовании микросхем ASIC.
Значительная часть бюджета компании HikVision, предназначенного для исследований и разработок, была выделена на создание видеокодеков. При разработке видеокодеков с высоким уровнем оптимизации, ориентированных на задачи видеонаблюдения, компания способна обеспечить более высокое качество изображения, чем ее конкуренты. При этом бюджет на аппаратную часть может быть весьма скромным. Например, в компании HikVision разработан и запатентован вариант кодека H.264, в котором реализован базовый профиль H.264, а также избранные функции основного профиля, включая чересстрочную развертку и полевое разбиение. Это оптимальное сочетание базового и основного профилей позволяет получить более высокое качество изображения без удорожания аппаратных средств и снижения плотности загрузки канала связи.
Проблемы использования программного обеспечения
Перенос имеющихся программ на устройства семейства DaVinci не был абсолютно гладким. Первая непростая задача состояла в повторной оптимизации программного кода для использования преимуществ новых команд C64x+. Например, процессор C64x+ может выполнять до восьми 16-разрядных команд умножения и суммирования за цикл. В отличие от него, процессор C62x может выполнить лишь две 16-разрядные команды умножения и суммирования за цикл. Для аудио- и видеокодеков, интенсивно использующих такие операции, эта разница оборачивается большим приростом производительности. Процессор C64x+, кроме того, поддерживает новые команды манипулирования битами, а также расширенные возможности суммирования и вычитания. Эти новые команды в сочетании с более высокой тактовой частотой 600 МГц процессора C64x+ (самая высокая частота C62x составляет 300 МГц) обеспечили существенный выигрыш в производительности для решений компании HikVision на базе технологии DaVinci.
Также было принято решение перейти от фирменной операционной системы (VxWorks) к системе Linux с открытым исходным кодом. Основанием для этого перехода был ряд веских причин. Одна из них, разумеется, заключается в отсутствии платы за пользование ОС Linux. Другая причина - это расширение поддержки операционных систем Linux на платформе DaVinci. Процессоры из семейства DaVinci в настоящее время поддерживают Open Source Linux и MontaVista Linux.
Переход на операционную систему Linux потребовал серьезных усилий. Впрочем, этот переход был облегчен поддержкой Linux в среде DSPLink компании TI. Среда DSPLink - это схема межпроцессорной коммуникации, в которой предусмотрен уровень абстракции между ядром ARM и DSP. Благодаря средствам DSPLink программный код, исполняемый процессором ARM, использует одни и те же интерфейсы прикладного программирования для коммуникации с DSP, независимо от операционной системы. Эти интерфейсы облегчают переход между операционными системами на платформе DaVinci.
Вопросы, возникающие на системном уровне
С появлением возможности обработки большего числа каналов видеоданных возникает другая проблема: обеспечение ввода и вывода большего потока видеоданных на микросхеме. Процессор TMS320DM6446 имеет единственный специализированный порт ввода видеоданных и единственный специализированный порт вывода видеоданных. Для организации дополнительных каналов на микросхеме применяется FPGA, чтобы реализовать порт PCI потоковой передачи нескольких цифровых каналов.
Технические решения
Для продуктов с единственным каналом ввода/вывода был выбран DSP TMS320DM648. Это устройство включает в себя ядро C64x+ и подсистему VPSS, но не имеет ядра ARM. Разработанный компанией HikVision IP-модуль использует DM648 для сжатия одного канала видеоданных с применением патентованного алгоритма H.264 компании HikVision. Видеоданные сжимаются с разрешением 4CIF (4CIF = 4×CIF, то есть 704×576 пикселов). Также поддерживается один канал сжатия аудиоданных с использованием кодека OggVorbis. Этот IP-модуль имеет небольшие размеры, потребляет очень мало энергии и может быть встроен в аналоговую камеру для того, чтобы использовать ее как сетевую камеру.
Для изделий, использующих несколько каналов, было выбрано устройство DM6446, включающее в себя как ядро C64x+ и подсистему VPSS, так и ядро ARM9. Например, цифровой видеосервер DS-6004HCI поддерживает одновременное кодирование и декодирование до четырех каналов. Видеосервер поддерживает разрешение 4CIF на одном канале и разрешение CIF на трех других каналах. В качестве альтернативы видеосервер DS-6004 может быть сконфигурирован только на два канала, имеющих разрешение 4CIF. Также поддерживается до четырех каналов кодирования и декодирования аудиоданных с использованием кодека OggVorbis.
Взгляд в будущее
В настоящее время основным рынком сбыта HikVision является китайский, однако компания планирует расширить свое присутствие на рынках Европы и Северной Америки. Например, недавно ее разработки были выбраны поставщиком решений в области видеонаблюдения из Франции. Эта компания ранее разрабатывала системы видеонаблюдения, используя оборудование от трех различных производителей. Поскольку помимо видеорекордеров, цифровых видеосерверов и автономных IP-модулей компания HikVision также занимается продажами видеокамер, она оказалась в состоянии заменить всех трех поставщиков при меньшей цене оборудования.
В ближайшей перспективе компания HikVision намерена увеличить разрешение и качество изображения даже за счет меньшей частоты кадров, а в долгосрочной перспективе нормой станут высокое разрешение и высокая частота кадров.
Заказчикам также все чаще требуются средства анализа видеоданных. Улучшенные алгоритмы сжатия, например H.264, позволяют передавать и хранить больший объем видеоданных. Это приводит к росту числа каналов в видеосистемах, что является положительным фактором, но ставит новые проблемы: как осуществлять управление возросшего числа каналов. Мониторинг видео с участием человека связан с большими затратами и подвержен ошибкам, поэтому необходимы алгоритмы, способные осуществлять анализ видеоизображения для контроля важных событий, например, какой-либо подозрительной деятельности. Такие события могут затем вызывать срабатывание охранной сигнализации и передаваться для визуального наблюдения оператору с целью дальнейшей проверки.
В области анализа видеоданных (Video Content Analysis - VCA) был выполнен большой объем исследований, но внедрение результатов этих исследований в массовую продукцию происходит медленно. В основном, это связано с высокими требованиями алгоритмов анализа к вычислительным ресурсам. Однако передовые технологии, подобные DaVinci, делают анализ видеоданных доступным. Благодаря аппаратным ускорителям DaVinci, принимающим на себя основную нагрузку, связанную с кодированием, декодированием и отображением видеоданных, высокопроизводительный DSP C64x+ способен удовлетворять требования алгоритмов анализа видеоданных к интенсивности обработки. В настоящее время компания HikVision работает над реализацией первой функции анализа видеоизображений - распознавания лиц.
Разумеется, для того чтобы соответствовать будущим запросам, потребуется еще большая производительность. Продолжая изучать перспективные разработки TI, компания HikVision в настоящее время оценивает возможности новейшего процессора из семейства DaVinci - TMS320DM6467 (см. рис. 2).
Рис. 2. Блок-схема высокого уровня процессора DM6467 на базе технологии DaVinci
компании TI
Это устройство обеспечивает ряд преимуществ для систем видеонаблюдения. Во-первых, устройство DM6467 дает существенное увеличение производительности за счет наличия сопроцессора транскодирования, состоящего из тесно взаимосвязанных сопроцессоров кодирования и декодирования. В цифровых видеосерверах, требующих одновременного кодирования и декодирования, преимуществами этого сопроцессора можно воспользоваться в полной мере, освобождая еще больше ресурсов ядра C64x+ для аналитических алгоритмов, связанных с большим объемом вычислений. Для изделий, требующих только кодирования, например для IP-модулей видеонаблюдения, декодер может использоваться в интеллектуальном режиме для ускорения кодирования, поскольку процессор декодирования представляет собой, в сущности, некоторое подмножество ускорителя кодирования.
В устройстве DM6467 также добавлен порт PCI. Благодаря использованию этого порта нет необходимости применять FPGA в многоканальных видеорекордерах и цифровых видеосерверах, разработанных компанией HikVision. Помимо этого, DM6467 поддерживает два 8-разрядных входа и выхода BT.656, которые могут быть сконфигурированы в единственный 16-разрядный вход и выход BT. Все это делает DM6467 хорошим выбором для систем видеонаблюдения с двумя входами высокого разрешения.
