FPGA与MVE算法协力打造高清动态的视频分析

目前，视频分析市场的安装成本（设备、校准、集成和维护）正不断攀升，视频分析结果的正确性应高于90%才能有效。为了提高分析的正确性，设备需要提供1080p的高清源视频质量。同时，市场对摄像机的处理能力提出了更高要求，视频分析设备需要对多规则事件进行实时并行探测并报警。 在前不久的安博会上，北京动视元科技有限公司（隶属于交通运输部公路科学研究院）采用Altera基于FPGA的最新视频分析，推出了基于FPGA的智能交通视频分析解决方案——至睿系列交通状况视频分析仪。该视频分析仪主要用于道路交通参数、交通事件进行检测和报警，帮助管理人员了解道路服务水平、及时发现紧急事件、随时查看过往事故事件视频资料。 通过采用Altera视频分析解决方案，动视元至睿产品系列能够实现1~8路标清视频或两路高清视频的全帧检测，并且通过对视频实时逐帧检测，在保证高检测精度的同时极大地减少设备误报，提高了实用性。动视元最近一次测试显示，该分析仪白天在高速公路上的侦测率可高达99%。 Altera亚太区工业市场开发经理江允贵介绍，交通监视需要对目标运动探测、行人行为、车辆技术、闯红灯、交通流量拥塞分析等多规则事件进行实时检测，同时，视频分析需要克服低亮度、照明变化、天气条件、阳光直射导致的强光、摄像机振动、强噪声、运动背景等的影响。

图1：Eutecus HU CEO Gusztáv Bártfai、Altera亚太区工业市场开发经理江允贵及动视元公司总经理沈炜（从左至右）。
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这些挑战需要具有相当深度的算法予以解决，同时，还需要在同一时间侦测多个不同的事件。Altera看到了这些需求，与专注于视频分析的Eutecus公司合作，推出了Cycolone IV FPGA单芯片视频分析解决方案MVE——以FPGA实现的多核视频分析引擎。该方案为视频监控提供了所需要的灵活性、性能、低成本和功耗特性。 昂贵的方案会很难在市场上推广和大量使用。因此，Altera采用了创新的商务模式，通过简单安全的IP交付，设计公司不需要支付昂贵的前端NRE（一次性费用），取而代之的是，Altera从版税中根据出货量提取部分佣金，直到出货之后才回收开发费用。对于Eutecus来说，它必须要完成客户所交付的目标，才能够从市场上有所回收。这样降低了用户的市场风险。 MVE目前已发展到第二版本（V2）。第一版采用软核和并行方式处理，提供单通道和多通道SD/HD视频的实时分析。MVE结合了C-MVA协处理器和InstantVision嵌入式软件库，主应用集中在交通监视和内部行为监视上。MVE内核和SoC能够满足多种需求，方便配置和定制。同时，它也可以移植到C-V SoC FPGA。第二版与第一版的区别在于，它将固定场景分析提升到了动态场景分析。

图2：Eutecus MVE TM V1系统结构图。
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当图像进入后，FPGA对其进行简单处理，降低噪点和振动，然后进入前期背景分离。接下来将值取出，做目标追踪和事件侦测。这其中，若前景、背景存在晃动、干扰，前景、背景的截取会有很大挑战。FPGA可以将实时性和处理帧数提高，因此，它截取的前景较为准确和清晰。然后，它可以将不重要的目标物给滤除，保留需要追踪的目标。如果前景处理不够完善，那么目标就有可能消失，影响实际的侦测率。最后，还需要针对目标做锁定追踪，这也是在做安防监控上最重要的部分。

图3：视频分析全过程——从像素到决定。
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FPGA与DSP在视频分析上的差异 FPGA和DSP都可以实现视频分析，但它们的处理能力却不相同。江允贵表示，相比DSP，FPGA对各种事件的处理采用并行方式。基于FPGA的解决方案在设计时间上可以进行调整和更新，在运行时可以重配置——它能够实现通道数量、分辨率、帧速率和延时的动态平衡。同时，当出现了新的IP内核时，基于FPGA的解决方案能够灵活地更新，在现场进行改进。

表：FPGA与DSP实现对比。
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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} Eutecus MVE动态视频分析算法实现 随后，Eutecus HU（Eutecus欧洲公司）CEO Gusztáv Bártfai博士介绍了最新的MVE V2方案。该公司视频分析软硬固件参考设计Bi-i Smart Cube（智能小方盒）支持Altera Cyclone IV GX 50-75-110-150不同容量的GPGA平台，支持多种不同的视频接口，以及可以让整个方案更具灵活性，使整个智能相机更容易，缩短开发时间。

图4：Bi-i Smart Cube既可以是参考设计，也可以是产品。
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图5：Gusztáv Bártfai博士在展台演示Bi-i Smart Cube的视频分析功能。
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该参考设计提供的最大灵活性与方便性是，提供了一个人机接口界面，让使用者不需要写任何代码，就可以直接在上面编程。其核心可以接受来自不同传感器的数据或视频流。即便是不同的分辨率和帧数，它都可以提供单通道或多通道的处理。目前，该平台还扩展到了车用ADAS领域当中。 Gusztáv Bártfai表示，MVE还有一个最大的优势是，初期，Eutecus采用DSP做视频分析解决方案，但是当要求越来越高时，就发现了DSP的瓶颈，随后，该公司就改变了方向。MVE V1提供的是静态的视频分析（摄像机固定），而V2的算法实现了动态的视频分析（摄像机可移动），这样，摄像机就可以安装在车上，进行移动追踪目标。它可以侦测正在运动的车牌的位置以及旁边的路标；针对汽车的晃动，它可以做晃动的补偿。

图6：MVE V1支持静止事件侦测。
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图7：MVE V2支持动态事件侦测。图为上海交通高流量时间段的车牌定位演示。
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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 至睿系列交通状况视频分析仪支持任何交通事件的分析 最后，动视元公司总经理沈炜对至睿系列交通状况视频分析仪进行了说明。他表示，该产品具有四大特点：功能强大、检测准确、低成本、低功耗。在交通行业中有两大块，一个是交通量检测，一个是交通事件检测。对于我们大家能够想象到的任何交通事件，该视频分析仪基本上都能够做得到。 “在智能分析方面，目前主要采用的还是X86和DSP这两种形式，它们都有各种的缺点。X86体积较大，功耗较高，尤其是在低碳节能的情况下，它满足不了要求。另外就是它的成本也比较高。而对于DSP，动视元在产品研发和使用过程当中真真切切地感受到，它还不只是成本的问题。如果要求的运算量不太大，DSP还是可以采用，但是一旦运算量要求变大，这个时候，它并不是说我增加多个DSP或者把DSP怎么样做得强大，它就能够实现。” FPGA性能远优于DSP和X86，采用单芯片FPGA实现的视频分析仪就能够完成1080p/30fps逐帧识别。该产品第二大优势就是将Eutecus公司MVE算法与动视元自有的DSY检测算法集成在动视元基于FPGA的产品平台之中。 一个原始的视频图像在通常情况下处理，其目标是白点形状，经过该分析仪处理后，其光影消失，目标更加准确。对于目标的跟踪，它可以很轻易地区分出道路。 现在视频检测误报的情况非常多，其中一大部分就是由于光影造成的误报。那么在这种情况下，视频分析仪通过对车辆轨迹的运行进行精确计算，知道目标是一辆车还是一个没有任何轨迹的灯光，便能降低光影对图像检测所造成的误报。另外，它的功耗低至35瓦，几乎是静音工作。通过使用该产品，用户可以在现有的SD监控上增加新功能，而无需购买具有分析功能的新摄像机。

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