FPGA、DSP積極投入安全監控應用市場

2013/03/06-DIGITIMES企劃

為加速擴充FPGA應用市場，現場可程式化邏輯陣列產品已開始積極透入各種市場應用，其中，以必須積極微縮產品尺寸、提供高穩定度、高效能、低功耗應用條件的安全監控設備，成為FPGA大廠積極投入的應用市場，藉此快速擴展新應用...


現場可程式化邏輯陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)產品，以此為基礎的視訊分析解決方案已有FPGA提出應用方案，其中以Altera、Analog Devices等FPGA大廠動作積極，而其餘FPGA業者雖未針對性以安全監控方案為目標市場開發專屬FPGA產品對應，但相關FPGA也可經功能調校達到相對應的應用條件。

FPGA本身即具備相當多應用優勢，尤其在嵌入式應用方面，優異的使用彈性更是一般單晶片產品所無法相比，由於FPGA為在PAL、GAL與EPLD等可程式化元件基礎上進一步發展的應用產品，FPGA可作為ASIC應用類型的一種半客製化應用電路，基本上可改善定制型ASIC無法彈性變更的缺點，同時又能解決定制型電路架構應用上的不足之處，在加上FPGA所可使用的可程式化邏輯器件數量又較其他同等可進行定制的器件數量更多，可以說是一種應用彈性相當大的開發平台。


早期FPGA多用於開發ASIC前之技術評估

基本上，早期FPGA是用以在ASIC大量投產前，進行電路驗證、試做的低成本開發方案，在產品驗證確認完程度為可認可狀態，再將FPGA狀態的開發成果轉換至ASIC平台用途。而FPGA本身具備豐富之觸發器、I/O引腳，可以針對開發需求進行調配，而同時FPGA的電路開發、設計週期相當短，因此其開發成本相對ASIC更低，同時也是開發風險較小的應用器件。

至於在晶片本身製程方面，FPGA為應用高速CHMOS製程製作的產品，具備低功耗優點，同時可以與CMOS、TTL整合產品輕鬆達到電氣規格相容的設計方案，這對於運用FPGA來進行部分電路的功能擴充快速設計方案，在ASIC應用方案尚待量產驗證前，可先用FPGA進行小量試做與大規模測試驗證，具體得到之開發反饋再以ASIC來進行重新設計。

加上FPGA採用邏輯陣列(Logic Cell Array)架構概念，在元件內部包含CLB(Configurable Logic Block)、IOB(Input Output Block)與Interconnect三大重點構成。由於FPGA本身即為利用內部RAM來進行工作狀態運行內容，在開始工作前需先進行器件之初始化，一般為利用EPROM預存執行內容，開機時由EPROM將工作程序導入RAM中為FPGA載入工作內容，經由內容配置進而使FPGA具執行能力，而當FPGA斷電後原有RAM的程序即消失，因此FPGA可具備重複使用的優點，等於是一塊FPGA可以任意針對預載內容差異，隨時變更晶片效用。


FPGA可程式化優勢 可輕鬆開發具市場區隔之安全監控產品

而在Altera採行的FPGA監控方案中，即相準FPGA本身具高度可程式化優勢，與具備高速處理的效能優勢！Altera為整合視訊演算軟體技術商Eutecus所開發的四通道D1畫質、單通道HD解析能力之FPGA視訊監控方案。若對比DSP設計方案，這在FPGA現有的應用方案中，已具備支應1,080p高複雜演算的應用需求。

尤其現有安全監控市場對於居家與環境安全觀念日漸提高，傳統基本款安全監控方案已無法滿足客戶所需，新的設計方案必須能具備自動分析、處理與簡易系統反饋之應用機制，而FPGA的眾多技術優勢，正可因應安控應用的進階用需求，透過FPGA高度客製化的應用平台，以此基礎開發出具實務應用價值的視訊分析、監控解決方案。

觀察現有全球監控系統市場，在監控方案導入視訊分析的應用功能，大多是以DSP架構因應監控視訊分析的應用需求，尤其是交通路況分析之監控前端系統，等於對更高效能的FPGA視訊分析需求漸增，尤其是監視與視訊分析系統為求在市場具差異化的功能表現，導入FPGA平台設計方案，將有助於開發進階視訊分析、監控應用設計方案。


交通監控應用之車流分析 可用FPGA快速架構應用需求

而在交通監控系統應用上，主要會有道路車流視訊分析、車輛分類、電子違規監控舉報，而為了讓監控效益增加，等於必須在訊息擷取端即進行前端之視訊分析處理，搭配高解析度之攝像設備，才能建構可因應同時10~30個監控目標高效率視訊分析處理能力。

而現有解決方案雖可運用DSP設計來進行視訊分析，但畢竟DSP訊息處理為串列方式進行，與FPGA採平行結構的處理方式不同，因為串列處理會在多目標、大量訊息的處理能量受到限制，而平行處理架構可以視性能要求的變化彈性擴增處理程序，尤其在多工處理視訊分析、搭配視頻強化辨識演算法擷取重點車牌資訊，在整合分析規則、目標物動作分析應用上，FPGA獨特的硬體架構更適合此類巨量資料分析處理應用需求。

以Altera的技術方案為例，目前為運用與Eutecus之高複雜視訊演算法軟體技術搭配Altera低功耗Cyclone IV FPGA，針對安全監控視訊分析應用方案開發整合支援四通道D1視訊分析監視、與單通道HD解析度視訊分析能力之FPGA視訊分析解決方案。


不讓FPGA搶食安全監控市場 DSP亦發展多核應用改善處理效能

為不讓Altera之針對視訊分析FPGA產品專美於前，Analog Devices同樣也看準FPGA發展視訊分析產品的優勢，開發具安全監控、先進駕駛輔助系統ADAS(Advanced Driver Assistance Systems)系統，將原本工業應用相當頻繁的機器視覺應用技術，以FPGA應用方案讓相關開發業者可以利用現成開發平台，快速架構特殊具視訊分析之應用產品。

一樣關注視覺分析應用市場需求，在機器視覺應用架構上，多數解決方案大多會採取使用DSP來提升視覺分析的應用效能，雖持續為DSP用量加溫，但因為DSP產品在開發架構不易，Analog Devices則思考以雙核心Blackfin DSP產品，來滿足視訊分析、機器視覺導入應用之市場需求。

與FPGA方案不同的是，Analog Devices應用雙核設計方案來改善DSP串流運行的應用限制，利用雙核心架構大幅提高整體產品的運算能力，搭配管線視覺處理器(PVP)。運用PVP輔助DSP影像處理效能，PVP等於是一組硬體演算加速器，而利用PVP之影像處理核心，可運行每秒251次高頻率數學分析演算，輕鬆在設計達到智慧影像分析、比對與目標追蹤、目標識別等應用功能需求。

而在Analog Devices使用的PVP硬體輔助加速運算方案中，因為PVP本身即採行內建記憶體來加速協同資料處理效能，這可使新款Blackfin DSP在效能表現可較前代產品有2~3倍之效能提升，像是用於汽車防碰撞之ADAS應用設計時，可利用新款DSP同時對車體周邊的行人、車距、動態相對速度等視訊內容同步進行分析、演算，並即時將分析結果與訊息反饋給車主參考。

由於視覺分析、機器視覺應用市場龐大，不只是FPGA類型產品虎視眈眈，DSP產品憑藉本身之高效能影像分析優勢，在產品方面的持續升級、持續瓜分應用市場，而在FPGA逐步整合ARM Cortex-A8、A9應用核心，透過ARM方案建構可程式化邏輯應用設計，隨時可能大舉搶進應用市場。至於DSP的應用特色尤其在大量影像之壓縮、解壓縮處理，與快速影像分析應用，均仍為DSP應用強項。