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視頻和圖像處理發(fā)展趨勢


以視頻和圖像處理為核心的HDTV和數字影院等創(chuàng)新技術的進展非常迅速,其推動力量在于圖像采集和顯示分辨率、高級壓縮方法以及視頻智能的跨越式發(fā)展。


在過去幾年中,分辨率的發(fā)展最為顯著,表1列出了不同終端設備上目前能夠達到的最高分辨率。
從標準清晰度(SD)過渡到高清晰度(HD),需要處理的數據量提高了6倍。視頻監(jiān)控也從普通中間格式(CIF)(352×288)轉向標準要求的D1格式(704×576),某些工業(yè)攝像機甚至達到1280×720HD。軍事監(jiān)控、醫(yī)療成像和機器視覺也普遍采用了分辨率非常高的圖像。


高級壓縮方法逐步替代了以前的技術,在保持一定質量的前提下,能具有更好的數據流性能和壓縮比,而且延遲更低。JPEG 2000作為數字電影的標準,在軍事、醫(yī)療成像和監(jiān)控領域也得到了大量應用。H.264將可能取代廣播電視應用中的MPEG2,以及視頻監(jiān)控系統的MPEG4 Part 2和用于視頻會議的H.263。在應用這些新壓縮方案的同時,H.264和JPEG 2000標準仍然在不斷改進。


DICOM醫(yī)療成像標準已經完成了附件105,它包括JPEG 2000第2部分3D醫(yī)療成像壓縮多分量變換。附件106將包括JPIP協議,遠程瀏覽使用JPEG 2000壓縮的醫(yī)療影像。


MPEG 4 Part 10(H.264 AVC)的進一步擴展是可更新視頻編碼(SVC)技術。SVC在現有系統資源情況下,解決了不同網絡中向各種用戶可靠傳送視頻的編碼問題,特別是事先不知道下游客戶端容量、系統資源和網絡狀況的時候。例如,客戶端會有不同的顯示分辨率,系統有不同的緩沖或者中間存儲資源,網絡帶寬、丟包率、最大努力服務質量(QoS)等都在變化。聯合視頻開發(fā)組(JVT)擴展了AVC/H.264,增強比特流的靈活性,提高壓縮效率,可以自由組合各種壓縮模式(如空域、時域和SNR/保真等)。具體應用領域包括視頻監(jiān)控系統、移動流視頻、無線多通道視頻產生和分配和多方視頻電話/會議等。


另一快速發(fā)展的領域是視頻智能。相機已經具有搖攝、俯仰、變焦、全景等拍攝功能,這些功能逐步由系統智能實現而不需要人為干預。移動探測技術能夠更高效的利用硬盤存儲,它只捕獲高于移動閾值的視頻幀。視頻目標識別技術能夠實現自動監(jiān)控追蹤,其效率要遠遠高于人工監(jiān)控。


隨著分辨率和壓縮比的提高,不但要提高性能,還需要非常靈活的體系結構,以便能夠迅速進行更新。隨著技術的成熟以及產量的提高,也很有必要進一步降低成本。

視頻和圖像處理系統體系結構


系統體系結構的選擇包括標準單元ASIC、ASSP以及數字信號處理器(DSP)或者媒體處理器和FPGA等可編程解決方案。這些方案都有各自的優(yōu)缺點,最終方案的選用取決于終端設備需求以及方案的可行性??紤]到上面討論的發(fā)展趨勢,理想的體系結構應具有以下特點:高性能、靈活性、方便更新、低開發(fā)成本,隨著應用的成熟和產量的提高,能夠提供低成本移植途徑等。


1 高性能


不僅壓縮需要提高性能,預處理和后處理功能同樣需要提高性能。事實上,在很多情況下,這些功能要比壓縮算法本身對性能的影響更大。這類功能的例子包括縮放、去隔行、濾波和顏色空間轉換等。


在上面提到的市場領域中,對高性能的要求排除了單處理器體系結構,因為單個器件難以達到性能要求。目前最好的1GHz DSP還無法實現H.264 HD解碼,而H.264 HD編碼要比解碼復雜10倍。FPGA是唯一能夠解決這種問題的可編程解決方案。在某些情況下,最好的方案是結合FPGA和外部DSP。


2 靈活性使產品快速面市,方便進行產品更新


隨著技術的迅速發(fā)展,體系結構必須足夠靈活,能夠方便地進行更新。這些要求排除了在具體應用中選用的標準單元ASIC和ASSP。ASSP一般用于大批量消費類市場,產品很快會過時,對于大部分應用而言,選用這種方案的風險很大。


3 低開發(fā)成本


考慮到掩模、晶片、軟件、設計驗證和布板等成本,典型90nm標準單元ASIC的開發(fā)成本會高達3千萬美元。只有產量非常大的消費類市場能夠支撐如此高的開發(fā)成本。


4 降低芯片成本的移植途徑


隨著標準的穩(wěn)定和產量的增加,應該過渡到低成本方案。這通常意味著使用面向市場的ASSP或者標準單元定制ASIC器件。然而,定制芯片的成本在不斷攀升,使得這些解決方案只有在大批量消費類應用中才具有較好的經濟性。大部分視頻和圖像應用芯片公司主要關注視頻攝像機、機頂盒、數碼相機、移動電話等便攜式產品或者LCD電視和監(jiān)視器等應用。因此,對于小批量應用,最好考慮FPGA,它和ASSP不同,ASSP可能非常切合功能需求,但是當需求變化時,由于產品更新換代,目前最好的解決方案可能是最冒險的選擇。

采用FPGA的視頻和圖像處理方案


考慮到上面闡述的原因,FPGA非常適合視頻和圖像處理應用。以Altera的FPGA為例,因其具有以下特性,非常適合視頻和圖像處理體系結構。


● 高性能:可以在一片FPGA中完成HD處理功能。
● 靈活性:能夠迅速更新體系結構,滿足不斷發(fā)展的需求,同時在低成本和高性能系統中靈活地應用FPGA。
● 低開發(fā)成本:Altera的視頻開發(fā)套件起價只有1095美元,含有開發(fā)視頻系統所需要的軟件工具。
● 不會過時:擁有非常廣泛的客戶基礎,產品從推出以來已經發(fā)售了多年。而且,FPGA設計很容易從一個工藝節(jié)點移植到下一節(jié)點。
● 低成本的結構化ASIC移植途徑:Altera結構化ASIC 1百萬ASIC邏輯門100ku起價為15美元。
● 其視頻和圖像處理方案:包括經過優(yōu)化的DSP設計流程、視頻和圖像處理包、接口和第三方視頻壓縮IP以及視頻參考設計等。

圖1 實例設計結構圖


圖1所示為使用視頻和圖像處理包的典型視頻系統。


可見,FPGA非常適合視頻和圖像處理應用,如廣播基礎設備、醫(yī)療成像、HD視頻會議、視頻監(jiān)控和軍事成像等。以Altera FPGA的視頻和圖像處理方案為例,它包括經過優(yōu)化的開發(fā)工具和開發(fā)套件、參考設計、視頻壓縮IP、接口和系統IP以及Altera的視頻和圖像處理IP包等。這些解決方案降低了大量視頻和圖像應用的成本,提高了性能和效率。

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