采用FPGA實(shí)現(xiàn)廣播視頻基礎(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

HDTV視頻內(nèi)容創(chuàng)作的繁榮以及在帶寬受限的廣播信道環(huán)境中傳送這些視頻內(nèi)容的方法，不斷催生新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)視頻圖像處理設(shè)備。以前只有有線電視和衛(wèi)星電視運(yùn)營商提供視頻傳送業(yè)務(wù)，現(xiàn)在電信公司也對這一領(lǐng)域產(chǎn)生了興趣，他們采用最新的視頻編碼/解碼器(CODEC)和視頻處理技術(shù)，并通過IPTV將數(shù)字視頻發(fā)送給用戶。

整個(gè)數(shù)字廣播基礎(chǔ)架構(gòu)開始于電視工作室或攝影制作室的視頻內(nèi)容創(chuàng)作。創(chuàng)作過程接口使用串行數(shù)據(jù)接口(SDI)將原始視頻發(fā)送到存儲(chǔ)設(shè)備或某些類型的非線性編輯器(NLE)，用于視頻編輯和性能增強(qiáng)。編輯好的視頻在編碼時(shí)再用MPEG-2、JPEG2000或H.264進(jìn)行壓縮，然后通過電纜、衛(wèi)星、地面廣播或最新的IPTV技術(shù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶。圖1給出了一個(gè)廣播系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的組成框圖。

視頻和圖像處理趨勢

許多令人興奮的新技術(shù)，如HDTV和數(shù)字影院都與視頻和圖像處理技術(shù)有關(guān)，并且這些技術(shù)還在飛速發(fā)展。圖像捕獲和顯示器分辨率的躍升、高級(jí)壓縮技術(shù)和視頻智能都是這些技術(shù)發(fā)展的源動(dòng)力。

先進(jìn)的壓縮技術(shù)正在全面替代以前的技術(shù)，它們有更好的流處理能力，在給定質(zhì)量下有更高的壓縮率，并且延遲更短。JPEG2000在存儲(chǔ)和數(shù)字影院中也獲得了很好的發(fā)展，在這些新的壓縮解決方案得到實(shí)際應(yīng)用之際，標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)還在不斷增強(qiáng)H.264和JPEG2000的性能。

在過去十年中，數(shù)字電視廣播中的標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視(SDTV)一直采用的是MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。H.264-AVC(MPEG-4-Part10)和微軟版的VC1將最終替代MPEG-2而成為SDTV和HDTV的最佳視頻編碼方法。為了滿足目前和未來需要，廣播設(shè)備制造商必須支持各種編碼標(biāo)準(zhǔn)。除了各種核心視頻CODEC標(biāo)準(zhǔn)外，還有一些不同類型的視頻預(yù)處理和后處理算法可以用來增強(qiáng)整體圖像質(zhì)量。

隨著分辨率和壓縮率的不斷提高，業(yè)界要求高性能同時(shí)保持架構(gòu)的靈活性以實(shí)現(xiàn)快速升級(jí)。此外，隨著技術(shù)的成熟和用量的上升，要求不斷降低成本。由于可編程邏輯器件(PLD)可以為這些需求提供解決方案，因此可以在新興的數(shù)字視頻廣播基礎(chǔ)系統(tǒng)設(shè)備中發(fā)揮重要的作用。

圖1：廣播基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

視頻內(nèi)容的產(chǎn)生

視頻廣播鏈的第一環(huán)是用專業(yè)數(shù)字視頻攝像機(jī)捕捉音視頻內(nèi)容。視頻可以是標(biāo)清或高清。這種數(shù)字?jǐn)z像機(jī)一般都有一個(gè)攝影與電視工程師協(xié)會(huì)(SMPTE)定義的SDI輸出。SDI是一種未經(jīng)壓縮的視頻流，速度可以是270Mbps(標(biāo)清)、1.485Gbps(高清)或2.97Gbps(1,080p高清)。Altera公司的Stratix II GX FPGA自帶串行/解串器(SERDES)和時(shí)鐘/數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路，可以用來處理攝像機(jī)SDI輸出口上的視頻流。

視頻預(yù)處理/后處理

北美地區(qū)使用的電視廣播標(biāo)準(zhǔn)NTSC中每個(gè)信道的帶寬為固定的6MHz，歐洲和其他地區(qū)用的PAL標(biāo)準(zhǔn)中每個(gè)信道帶寬為8MHz。這種帶寬的限制規(guī)定遠(yuǎn)早于數(shù)字電視的出現(xiàn)時(shí)間，這種模擬帶寬限制也影響到目前數(shù)字電視的廣播標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字視頻質(zhì)量要比傳統(tǒng)的模擬視頻好得多，數(shù)字分辨率越高，傳送或發(fā)送視頻數(shù)據(jù)所需的帶寬也越大。發(fā)送高質(zhì)量視頻需要對視頻源進(jìn)行預(yù)處理。

將視頻壓縮得太厲害會(huì)產(chǎn)生馬賽克噪聲或馬賽克效應(yīng)，這是由于基于塊的CODEC的DCT引起的。視頻經(jīng)過預(yù)處理/后處理后，編碼器壓縮起來會(huì)更輕松，從而進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量，降低發(fā)送帶寬要求。這一功能對有線、衛(wèi)星、電信和IPTV廣播商業(yè)模式來說特別重要，因?yàn)闈M足高質(zhì)量要求必須在很窄的帶寬約束下實(shí)現(xiàn)。一些預(yù)處理可能包括在視頻進(jìn)入編碼器之前使用二維濾波技術(shù)削除某些高頻分量，從而有效地減少馬賽克噪聲。Altera公司的視頻與圖像處理套件包括二維的有限脈沖響應(yīng)(FIR)和中值濾波器功能。它們提供了一種靈活高效的方法，可以利用3×3、5×5或7×7恒定系數(shù)矩陣執(zhí)行二維FIR濾波操作。因此，為了在帶寬受限環(huán)境中獲得最佳性能，預(yù)/后處理對任何視頻壓縮方法來說都是很關(guān)鍵的差異點(diǎn)。

視頻壓縮

下一步是在送往最終用戶之前對經(jīng)過預(yù)處理的原始視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。從MPEG-1到MPEG-2，至今已經(jīng)有了多代壓縮標(biāo)準(zhǔn)，共有四種壓縮方法：離散余弦變換(DCT)、矢量量化(VQ)、分形壓縮(fractal compression)和離散小波變換(DWT)。

就數(shù)字電視而言，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)占據(jù)著主導(dǎo)地位，數(shù)字有線、衛(wèi)星和地面廣播都在使用這種標(biāo)準(zhǔn)。隨著廣播行業(yè)趨向于更高清晰度的內(nèi)容，給定的傳送帶寬在適應(yīng)規(guī)定的模擬帶寬上承受著越來越大的壓力。隨著IPTV在傳統(tǒng)電信有線系統(tǒng)上的興起，用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)向用戶傳送視頻節(jié)目無疑不再經(jīng)濟(jì)可行。

ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC運(yùn)動(dòng)圖像專家組(MPEG)開始力推MPEG4-Part 10(也稱為H.264)標(biāo)準(zhǔn)。H.264可以比先前標(biāo)準(zhǔn)低得多的比特速率提供高品質(zhì)的圖像質(zhì)量，在復(fù)雜性方面也不會(huì)有太大的提高。另外一個(gè)目標(biāo)是讓標(biāo)準(zhǔn)具有足夠的靈活性，以適應(yīng)各種應(yīng)用場合(包括低比特率和高比特率以及低分辨率和高分辨率視頻)，并能在各種網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)上良好地工作。還有另外一些壓縮標(biāo)準(zhǔn)(如JPEG2000)，它們采用基于小波算法的狀態(tài)技術(shù)。

視頻發(fā)送

壓縮后的視頻可以在廣播室內(nèi)用ASI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行短距離的傳送。業(yè)界的趨勢是使用IP視頻技術(shù)長距離發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。Altera公司提供的IP視頻參考設(shè)計(jì)具有在IP網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送MPEG-2傳輸流(TS)的功能。該參考設(shè)計(jì)將一個(gè)或一個(gè)以上的壓縮視頻流橋接到100Mbps或1Gbps以太網(wǎng)上的IP包。同時(shí)，Altera還提供了ASI編碼和譯碼參考設(shè)計(jì)。數(shù)字視頻廣播異步串口(DVB-ASI)是一種串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，用于在銅纜或光纖網(wǎng)絡(luò)上傳送MPEG-2數(shù)據(jù)包。

視頻縮放和去隔行

創(chuàng)作室和前端設(shè)備通常需要為標(biāo)清與高清之間相互轉(zhuǎn)換等應(yīng)用執(zhí)行視頻縮放和去隔行。其它應(yīng)用還包括用于邊緣檢測處理的濾波器、垂直運(yùn)動(dòng)濾波器和場間運(yùn)動(dòng)濾波器等。

對許多專業(yè)影視室來說，最常見的要求之一是使用單個(gè)或多個(gè)顯示器設(shè)備顯示各種標(biāo)準(zhǔn)的SDTV或HDTV信號(hào)。利用遙控功能方便地在這些不同的視頻源之間切換對創(chuàng)建專業(yè)、易用的系統(tǒng)來說至關(guān)重要，因此視頻縮放和去隔行對視頻切換設(shè)備/路由器(swticher/router)來說是很重要的，它能讓切換設(shè)備/路由器處理不同類型的視頻分辨率，方便進(jìn)行視頻切換、路由和本地顯示。

色度空間轉(zhuǎn)換和視頻格式

由于廣播商必須根據(jù)最終用戶所處的不同地理位置提供不同的視頻格式，因此廣播創(chuàng)作室必須能夠完成不同的色度空間和視頻格式之間的轉(zhuǎn)換。顏色一般用不同的色度空間域(color space domain)表示，每個(gè)空間域根據(jù)系統(tǒng)要求關(guān)聯(lián)到不同的應(yīng)用。顏色信息由兩個(gè)獨(dú)立的色度信號(hào)Cb和Cr決定，這兩個(gè)信號(hào)還是第三個(gè)信號(hào)-亮度或照度信號(hào)Y的函數(shù)。RGB色度空間則由三個(gè)顏色分量-紅、綠和藍(lán)決定。當(dāng)在使用不同色度空間模型的器件之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，就需要進(jìn)行色度空間轉(zhuǎn)換。例如，將電視圖像傳送給計(jì)算機(jī)顯示器，就需要將圖像從YCbCr色度空間模型轉(zhuǎn)換到RGB色度空間。相反，將圖像從計(jì)算機(jī)顯示器傳送到電視機(jī)時(shí)就要求從RGB色度空間轉(zhuǎn)換成YCbCr色度空間。Altera公司的色度空間轉(zhuǎn)換器MegaCore功能就可以用來在各種應(yīng)用場合下實(shí)現(xiàn)這些顏色轉(zhuǎn)換。

視頻和圖像處理系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)可以選擇標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC、ASSP和可編程解決方案，如DSP或媒體處理器和FPGA。每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，最終取決于最終設(shè)備要求和解決方案的可用性。從上面討論的趨勢來看，理想架構(gòu)需要具有以下一些特征：高性能、靈活性、易升級(jí)、低開發(fā)成本，以及隨著應(yīng)用的成熟和用量的增加，成本逐漸降低。

1. 高性能

性能不僅涉及壓縮，而且與預(yù)處理和后處理功能有關(guān)。在許多實(shí)際應(yīng)用中這些功能都比壓縮算法本身占用更多的資源。這些功能包括縮放、去隔行、濾波和色度空間轉(zhuǎn)換。廣播市場對高性能的需求排除了只有處理器的架構(gòu)方案，因?yàn)樗鼈儫o法依靠單個(gè)器件滿足性能要求。工作頻率達(dá)1GHz的最先進(jìn)DSP也無法完成H.264高清圖像解碼，而H.264高清編碼的復(fù)雜度比解碼要高出約10倍。FPGA是唯一可以解決這個(gè)問題的可編程解決方案。在某些情況下，最佳解決方案是FPGA和外部DSP處理器的組合。

2. 靈活性可以加快上市時(shí)間，方便升級(jí)

在技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，架構(gòu)必須具有相當(dāng)大的靈活性和易升級(jí)能力。由于標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC和ASSP都沒有這方面的特性，因此不能滿足這種用途。通常針對批量非常大的消費(fèi)類市場設(shè)計(jì)的ASSP很快會(huì)過時(shí)，因此對大多數(shù)應(yīng)用來說使用ASSP的風(fēng)險(xiǎn)太大。

3. 低開發(fā)成本

算上掩模和晶圓、軟件、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和版圖的成本，一個(gè)典型的90nm標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC的開發(fā)成本將達(dá)到3,000萬美元。只有最大批量的消費(fèi)市場才能消化如此高的開發(fā)成本。在設(shè)計(jì)小批量設(shè)備時(shí)最好考慮FPGA，因?yàn)樗幌馎SSP那樣需要固定確切的功能，即使最好的現(xiàn)成解決方案也存在很快過時(shí)的高風(fēng)險(xiǎn)。

Altera視頻和圖像處理解決方案

基于以上原因，F(xiàn)PGA特別適合許多視頻和圖像處理設(shè)備使用。Altera公司FPGA具有的以下一些特點(diǎn)：高性能、靈活性、低開發(fā)成本、防止過時(shí)、向低成本發(fā)展的結(jié)構(gòu)化ASIC轉(zhuǎn)變路徑，以及Altera的視頻和圖像處理解決方案(包括DSP設(shè)計(jì)流程、Altera的視頻和圖像處理套件、接口和第三方視頻壓縮知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以及視頻參考設(shè)計(jì))。

1. 在FPGA/結(jié)構(gòu)化ASIC上實(shí)現(xiàn)類似ASSP的功能

隨著解決方案數(shù)量的增加，Altera和合作伙伴已經(jīng)可以在FPGA或結(jié)構(gòu)化ASIC上提供ASSP功能。ATEME的H.264主類標(biāo)準(zhǔn)清晰度編碼器產(chǎn)品就是一個(gè)很好的例子。通過這種產(chǎn)品用戶可以像使用ASSP那樣使用FPGA。與傳統(tǒng)ASSP方法相比，F(xiàn)PGA解決方案可以快速更新，不存在過時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。

2. DSP設(shè)計(jì)流程

Altera公司針對定制開發(fā)提供了一個(gè)最優(yōu)化的DSP設(shè)計(jì)流程，該流程允許用多種不同的方式表達(dá)設(shè)計(jì)，包括VHDL/Verilog、模型化設(shè)計(jì)和基于C語言的設(shè)計(jì)。Altera公司的視頻與圖像處理功能套件可以與這些設(shè)計(jì)流程選項(xiàng)中的任一種結(jié)合起來使用。

Altera和MathWorks合作創(chuàng)建了一個(gè)全面的DSP開發(fā)流程，能讓設(shè)計(jì)師充分發(fā)揮MathWork公司模型化設(shè)計(jì)工具Simulink的作用。Altera的DSP Builder是一款DSP開發(fā)工具，用于連接Simulink和Altera公司先進(jìn)的Quartus II開發(fā)軟件。DSP Builder提供了一個(gè)無縫的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)師可以在MATLAB軟件中做算法開發(fā)，同時(shí)在Simulink軟件中做系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，然后將設(shè)計(jì)輸出為硬件描述語言(HDL)文件供Quartus II軟件使用。DSP Builder工具與SOPC Builder工具緊密集成在一起，可以幫助用戶建立集Simulink設(shè)計(jì)、Altera的嵌入式處理器和知識(shí)產(chǎn)權(quán)內(nèi)核于一身的系統(tǒng)。對在使用可編程邏輯設(shè)計(jì)軟件方面沒有很多經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員來說這種開發(fā)流程很直觀，并且容易上手。

3. 視頻和圖像處理套件

視頻和圖像處理套件由參數(shù)可以靜態(tài)改變，某些情況下甚至可以動(dòng)態(tài)改變的九大功能組成。采用視頻與圖像處理套件的一個(gè)典型視頻系統(tǒng)如圖2所示。

圖2：采用視頻與圖像處理套件的一個(gè)典型視頻系統(tǒng)框圖

4. 視頻開發(fā)套件

Altera公司有兩個(gè)新的視頻開發(fā)套件：一個(gè)是音視頻開發(fā)套件Stratix II GX Edition，提供2個(gè)通道的復(fù)合視頻輸出、VGA輸出口、96kHz的音頻I/O、256MB的DDRII DRAM和Cyclone II器件；另外一個(gè)是視頻開發(fā)套件Stratix II GX Edition，支持4通道的高清SDI、ASI、DVI、HDMI、USB、千兆以太網(wǎng)、1394和DDRII SDRAM。開發(fā)套件中還包含采用視頻與圖像處理套件、DSP Builder和SOPC Builder開發(fā)工具做的一個(gè)視頻參考設(shè)計(jì)。除了這些套件外，還有多個(gè)用于視頻解決方案的Altera第三方開發(fā)套件。