基于FPGA的高清低码流H.264摄像机设计

摘要：本文提出了一种基于低成本FPGA的高清低码流安防摄像机SoC实现方式，该设计已经完全实现，开创了高清低码流安防摄像机SoC的先河。

1. 概述

目前高清H.264摄像机的核心SoC基本上都是ASIC，而FPGA作为近年来发展迅速的可编程器件，在高清H.264摄像机的SoC领域如何能有一席之地?这是我们的设计需要实现的目标。

2. 设计特点

与ASIC相比，FPGA的特点是功能强，设计灵活，随时升级，工作成果可以积累，NRE低，但是芯片价格比ASIC贵，所以必须找到一个可以达到价格平衡的应用领域，我们根据这几年智能手机和3G网络发展迅猛的情况，参考电信运营商第一代全球眼的技术指标，直接把设计指标定位在码流小于512kbps和分辨率为1280x720x25fps，目前在市面上可以实现这些指标的摄像机几乎没有，这是FPGA的好机会。

512kbps的码流限制主要是考虑到ADSL和家庭光端机的上传能力，而且也能利用3G上传视频，减少了智能手机的码流下载压力;1280x720是智能手机的主流分辨率，自然需要相应的视频源，如果显示D1或CIF，效果肯定不理想。

我 们的目标是做一个可以直接用于生产的参考设计，除了设计指标先进，我们还要考虑价格和实用，所以我们选择了低成本的CYCLONE IV系列，另外也实现了一般网络摄像机的全部功能，如H.264压缩、720p25帧三码流、双向语音、重要区域和隐私区域的定义、智能分析、移动检测、 声音侦测、POE供电等;

3. 实现高清低码流H.264摄像机SoC的关键

一般来说，1280×720×25fps的码流在2Mbps左右，如何降低码流?除了使用mail profile with cabac的H.264编码器外，还需要对视频图像进行分析，而且要在帧率、分辨率、视频质量等方面权衡折中，在512kbps码流下获得最好的视频效果，为了达到这样的目的，需要复杂灵活的控制，FPGA可以满足这样的需求。

4. 高清低码流H.264摄像机的结构

高清低码流H.264摄像机的结构简图如下：

图1 高清低码流H.264摄像机的结构图

FPGA的内部结构如下图所示：

图2 FPGA的内部结构图

FPGA的选用

在高清低码流H.264摄像机的结构中，除了图像传感器、存储器、电源和模拟接口外，所有的功能如图像处理、H.264编码、协议处理、参数管理、媒体流发送等都由FPGA实现，FPGA就是高清低码流H.264摄像机的 SoC;目前世界上FPGA的生产商只有几个，可选择的产品也不多，要用FPGA实现高清低码流H.264摄像机的SoC，选择一款合适的FPGA非常重要，FPGA的选择主要考虑三方面的因素：速度、成本和结构;每个FPGA生产商都有多个FPGA系列，每个系列的速度、性能和价格都不同，要使高清低码流H.264摄像机SoC的成本尽可能低，应该选择成本最低的系列，像我们选择的FPGA是Altera公司的CYCLONE IV系列，型号是EP4CE115F23C8，CYCLONE IV是低成本系列，在同样是低成本系列的FPGA中，CYCLONE IV的速度是最快的; FPGA的结构对图像处理也很重要，尤其是存储器和乘法器的数量，H.264算法是以宏块为单位，在处理过程中必然会涉及到宏块的输入输出和缓存，1个宏 块的数据为384字节(256字节亮度数据和128字节色度数据)，如果考虑到输入输出和处理的并行，必须设置双份，即768字节，用CYCLONE IV的1个M9K存储块正好，从上面的分析可以看出适合图像处理的FPGA对内部存储器的要求是存储块容量小(如1KB)、存储块数量多，另外，对乘法器的要求也是数量多;在我们选择FPGA的时候，CYCLONE IV是在所有低成本FPGA中有最大的存储器逻辑比和乘法器逻辑比，很适合做图像处理。

图像传感器的选择

为 了满足1280x720x25fps的要求，只需要选择百万像素的传感器就可以了，我们最终选择了300万像素的AR0331，还可以实现 1920x1088x11fps，在实现1280x720x25fps时还有电子PTZ功能，AR0331还有宽动态功能，便于摄像机以后扩充宽动态功 能。

外部存储器

外部存储器有2片LP DDR SDRAM和1片串行FLASH，串行FLASH用于存储FPGA的配置数据和NIOS的数据程序，1片LP DDR SDRAM用于存储图像数据和编码结果，1片LP DDR SDRAM用于NIOSII运行ucLinux。

FPGA实现的功能

FPGA作为高清H.264摄像机的SoC实现的功能如下：

① 图像处理

● 边缘检测RAW插值计算

简单的RAW插值计算会造成边缘模糊，增加边缘检测判断可以避免造成边缘模糊;

● 3D滤波

从图像传感器出来的图像包含有噪声，去噪同时在帧间和帧内进行;

● 2D锐化

由于镜头等因素影响，从图像传感器出来的图像需要锐化才能清晰;

● GAMMA校正

从图像传感器出来的图像灰度不正确，需要做GAMMA校正，获得正确的灰度;

● 自动曝光控制