FPGA在廣播視頻處理中的應(yīng)用

1.時(shí)機(jī)

在世界范圍內(nèi)，廣播視頻系統(tǒng)的需求都在逐年顯著增加，原因是以下的一些因素同時(shí)發(fā)生了作用：

 

• 可供觀(guān)眾選擇的廣播頻道的增加。世界范圍內(nèi)，更多觀(guān)眾的選擇從很少的幾個(gè)頻道發(fā)展到幾百個(gè)頻道。

• 有線(xiàn)電視和衛(wèi)星電視傳送網(wǎng)的發(fā)展。而互聯(lián)網(wǎng)廣播的發(fā)展更使我們進(jìn)入了“百萬(wàn)頻道”的時(shí)代。

• 用于信息交流，培訓(xùn)和安全保衛(wèi)的公司內(nèi)部和小范圍的小型廣播視頻應(yīng)用的發(fā)展。在娛樂(lè)業(yè)界也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，例如飯店視頻點(diǎn)播、超大屏幕電子顯示屏等。

• 延時(shí)視頻播放、準(zhǔn)視頻點(diǎn)播大大增加了用戶(hù)使用的方便程度，使用戶(hù)需要更多的頻道。

• 當(dāng)今，大尺寸屏幕電視由普通電視向高清晰電視發(fā)展，導(dǎo)致我們需要安裝更多的廣播設(shè)備。

• 視頻所包含內(nèi)容快速增加。附加的特技效果、多視窗、字幕疊加、重播等功能需要更高性能的廣播設(shè)備。

• 視頻資源的豐富。與以前只有在特別的演播室制作和重大事件的報(bào)道相比，現(xiàn)在可在每個(gè)社區(qū)和商家制作。視頻資源的數(shù)量飛快增長(zhǎng)，出現(xiàn)了一個(gè)全新的低端廣播設(shè)備市場(chǎng)。

• 快速地向數(shù)字電視轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致更換老舊的模擬信號(hào)系統(tǒng) 。

• 由于數(shù)字電視革命的發(fā)生，在各種數(shù)字信號(hào)規(guī)格之間進(jìn)行視頻編碼轉(zhuǎn)換的需求很強(qiáng)，這導(dǎo)致了需要添加廣播設(shè)備，包括：

• 基本規(guī)格：非壓縮、時(shí)間壓縮、MPEG2、MPEG4、H.264壓縮、Windows Media9、Real Networks等；

• 圖像尺寸：標(biāo)準(zhǔn)畫(huà)質(zhì)（SD）、高畫(huà)質(zhì)720P、高畫(huà)質(zhì)1080P；

• 傳輸/封裝規(guī)格：ATSC/DVB、SDI、IP等；

• 音頻規(guī)格：AES3等；

• 國(guó)際規(guī)格：NTSC、PAL；

• 設(shè)備接口：1394火線(xiàn)接口、DVI接口、GigE Ethernet接口；

上面所發(fā)生的這些最新的變化使功能強(qiáng)大的廣播視頻設(shè)備成為必需。廣播設(shè)備需要更強(qiáng)的處理功能、更多的輸出頻道、更多的輸出規(guī)格等更廣的應(yīng)用范圍。

本論文論述了一個(gè)將滿(mǎn)足未來(lái)需要的全新的產(chǎn)品平臺(tái)。這一平臺(tái)的產(chǎn)品成本和開(kāi)發(fā)成本將比現(xiàn)有的系統(tǒng)低。

2.視頻系統(tǒng)平臺(tái)

首先，讓我們調(diào)查一些現(xiàn)今使用的視頻廣播系統(tǒng)和視頻平臺(tái)。一般來(lái)講，用于視頻制作和發(fā)行的基本處理有以下一些方面：

內(nèi)容制作：攝像機(jī)制作和電腦制作；編輯/圖像疊加/圖像混合；特技效果；視頻畫(huà)質(zhì)增強(qiáng)；視頻信號(hào)格式轉(zhuǎn)換；視頻存儲(chǔ)。

視頻的提取和發(fā)布：視頻提取規(guī)格轉(zhuǎn)換；插入節(jié)目信息和廣告；廣播視頻規(guī)格轉(zhuǎn)換；發(fā)行：普通、延時(shí)播放、視頻點(diǎn)播。

今天，用于完成以上視頻功能的平臺(tái)可大致分為以下幾種類(lèi)型：

2.1 內(nèi)容制作平臺(tái)

因?yàn)閮?nèi)容制作平臺(tái)是非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，所以并無(wú)很高的性能要求，即使處理時(shí)間大于實(shí)際時(shí)間也沒(méi)問(wèn)題。因此，一般的電腦和工作站就可勝任。通常，這些平臺(tái)會(huì)和視頻加速板一起使用，但這個(gè)加速板只是為了提高視頻制作人員的工作效率，而不是為了實(shí)時(shí)處理的需求。

2.2 視頻提取和發(fā)布平臺(tái)

視頻提取和發(fā)布平臺(tái)必須和視頻廣播同步，所有的處理必須在視頻廣播的線(xiàn)頻和幀頻內(nèi)完成，所以有絕對(duì)的高性能要求?？煽啃砸彩沁@些處理的必然要求。

為了達(dá)到這些要求，大多數(shù)現(xiàn)今使用的視頻提取和發(fā)布平臺(tái)是建立在廠(chǎng)家的專(zhuān)業(yè)廣播平臺(tái)之上的。這一平臺(tái)由建立于專(zhuān)業(yè)設(shè)備中的若干特殊功能的模塊組成。

一些廠(chǎng)家已經(jīng)開(kāi)始使用低成本的個(gè)人電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻處理，但這只是局限于處理一些有限的外圍功能，而且沒(méi)有成為視頻提取和發(fā)布系統(tǒng)的主流。

事實(shí)已經(jīng)非常清楚，基于個(gè)人電腦的平臺(tái)將在視頻提取和發(fā)布系統(tǒng)中逐步發(fā)揮越來(lái)越大的作用。由于以下原因，這些平臺(tái)將有廣闊的應(yīng)用前景：

 

• 大容量處理帶來(lái)的突出的性能價(jià)格比；

• 可用于不同應(yīng)用軟件廠(chǎng)家的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，更好的功能，更低的成本；

• 更高的性能價(jià)格比和更多的功能；[!--empirenews.page--]

3.個(gè)人電腦的長(zhǎng)處和局限

個(gè)人電腦的能力不斷得到提高，現(xiàn)已達(dá)到可實(shí)時(shí)處理單視頻流、壓縮單視頻流，并將其存儲(chǔ)在硬盤(pán)上，進(jìn)行解壓并播放標(biāo)準(zhǔn)畫(huà)質(zhì)流。盡管如此，個(gè)人電腦的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠處理許多非壓縮視頻流的視頻處理、末端視頻發(fā)布的處理、實(shí)況轉(zhuǎn)播處理和其他高畫(huà)質(zhì)的視頻處理。

目前，進(jìn)行非壓縮視頻處理的難點(diǎn)在于解決來(lái)自各廠(chǎng)家的無(wú)數(shù)的專(zhuān)業(yè)處理板的矛盾。這些專(zhuān)業(yè)處理板能夠完成它們某種特定的功能，但不能靈活地增加新功能，而當(dāng)你需要多個(gè)功能時(shí)，你需要對(duì)不同廠(chǎng)家完全不同的處理板進(jìn)行協(xié)調(diào)。

市場(chǎng)需要的是一種具有靈活性的，在一臺(tái)個(gè)人電腦上可處理非壓縮視頻的平臺(tái)。它能夠提供像高端系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)設(shè)備所具有的處理威力和低端個(gè)人電腦系統(tǒng)具有的低價(jià)格。

4.視頻處理中的FPGA

由Altera或其他公司生產(chǎn)的

FPGA芯片具有提供可編程軟件的能力和專(zhuān)業(yè)硬件的處理性能。在視頻應(yīng)用中，F(xiàn)PGA芯片可以在個(gè)人電腦平臺(tái)上提供高達(dá)10～100倍的處理能力，而且當(dāng)用戶(hù)需要更改系統(tǒng)的功能時(shí)，只需重新下載一個(gè)文件以修改用戶(hù)的硬件配置，1秒鐘就可完成用戶(hù)的硬件升級(jí)。歡迎轉(zhuǎn)載，本文來(lái)自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com/)


雖然FPGA技術(shù)早已被應(yīng)用于廣播視頻業(yè)界，但到目前為止，這類(lèi)應(yīng)用大多局限于專(zhuān)業(yè)平臺(tái)上的特定功能，只有很少的應(yīng)用于個(gè)人電腦PCI板上的特定功能。

盡管如此，近年來(lái)FPGA的處理能力還是得到了迅猛地發(fā)展?，F(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)化到了一個(gè)芯片可執(zhí)行一個(gè)板的功能，或者說(shuō)一個(gè)芯片可執(zhí)行一個(gè)系統(tǒng)的功能（SoC）的地步。因?yàn)樵谝粔KPCI板上可安裝多個(gè)FPGA芯片，這就使在一塊板上開(kāi)發(fā)一個(gè)等同于一臺(tái)專(zhuān)業(yè)設(shè)備的完整系統(tǒng)成為可能。

另外，在現(xiàn)有的技術(shù)下，標(biāo)準(zhǔn)的視頻處理功能模塊可以被下載到一個(gè)新型的高處理能力的FPGA芯片中。這些模塊就如同組成一個(gè)專(zhuān)業(yè)設(shè)備中的多個(gè)功能模塊。也就是說(shuō)，現(xiàn)在的一個(gè)芯片就可以包含整個(gè)系統(tǒng)，而不需要像以前一樣由一臺(tái)專(zhuān)業(yè)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這一開(kāi)發(fā)方式較之開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)設(shè)備系統(tǒng)有如下優(yōu)越性：低得多的開(kāi)發(fā)成本；低得多的系統(tǒng)成本；用戶(hù)設(shè)計(jì)和升級(jí)極其方便；可直接使用個(gè)人電腦平臺(tái)的應(yīng)用軟件。

5.開(kāi)發(fā)“個(gè)人電腦+FPGA”平臺(tái)