采用FPGA實現(xiàn)廣播視頻基礎系統(tǒng)設計

HDTV視頻內容創(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容的方法，不斷催生新的視頻壓縮標準和相關視頻圖像處理設備。以前只有有線電視和衛(wèi)星電視運營商提供視頻傳送業(yè)務，現(xiàn)在電信公司也對這一領域產生了興趣，他們采用最新的視頻編碼/解碼器(CODEC)和視頻處理技術，并通過IPTV將數(shù)字視頻發(fā)送給用戶。

整個數(shù)字廣播基礎架構開始于電視工作室或攝影制作室的視頻內容創(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)送到存儲設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。編輯好的視頻在編碼時再用MPEG-2、JPEG2000或H.264進行壓縮，然后通過電纜、衛(wèi)星、地面廣播或最新的IPTV技術網絡發(fā)送給用戶。圖1給出了一個廣播系統(tǒng)基礎架構的組成框圖。

視頻和圖像處理趨勢

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

先進的壓縮技術正在全面替代以前的技術，它們有更好的流處理能力，在給定質量下有更高的壓縮率，并且延遲更短。JPEG2000在存儲和數(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際應用之際，標準委員會還在不斷增強H.264和JPEG2000的性能。

在過去十年中，數(shù)字電視廣播中的標準清晰度電視(SDTV)一直采用的是MPEG-2標準。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，廣播設備制造商必須支持各種編碼標準。除了各種核心視頻CODEC標準外，還有一些不同類型的視頻預處理和后處理算法可以用來增強整體圖像質量。

隨著分辨率和壓縮率的不斷提高，業(yè)界要求高性能同時保持架構的靈活性以實現(xiàn)快速升級。此外，隨著技術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)字視頻廣播基礎系統(tǒng)設備中發(fā)揮重要的作用。

圖1：廣播基礎系統(tǒng)架構示意圖

視頻內容的產生

視頻廣播鏈的第一環(huán)是用專業(yè)數(shù)字視頻攝像機捕捉音視頻內容。視頻可以是標清或高清。這種數(shù)字攝像機一般都有一個攝影與電視工程師協(xié)會(SMPTE)定義的SDI輸出。SDI是一種未經壓縮的視頻流，速度可以是270Mbps(標清)、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)和時鐘/數(shù)據(jù)恢復(CDR)電路，可以用來處理攝像機SDI輸出口上的視頻流。

視頻預處理/后處理

北美地區(qū)使用的電視廣播標準NTSC中每個信道的帶寬為固定的6MHz，歐洲和其他地區(qū)用的PAL標準中每個信道帶寬為8MHz。這種帶寬的限制規(guī)定遠早于數(shù)字電視的出現(xiàn)時間，這種模擬帶寬限制也影響到目前數(shù)字電視的廣播標準。數(shù)字視頻質量要比傳統(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)送高質量視頻需要對視頻源進行預處理。

將視頻壓縮得太厲害會產生馬賽克噪聲或馬賽克效應，這是由于基于塊的CODEC的DCT引起的。視頻經過預處理/后處理后，編碼器壓縮起來會更輕松，從而進一步提高圖像質量，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，因為滿足高質量要求必須在很窄的帶寬約束下實現(xiàn)。一些預處理可能包括在視頻進入編碼器之前使用二維濾波技術削除某些高頻分量，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(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33、55或77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/后處理對任何視頻壓縮方法來說都是很關鍵的差異點。

視頻壓縮

下一步是在送往最終用戶之前對經過預處理的原始視頻數(shù)據(jù)進行壓縮。從MPEG-1到MPEG-2，至今已經有了多代壓縮標準，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標準在全球范圍內占據(jù)著主導地位，數(shù)字有線、衛(wèi)星和地面廣播都在使用這種標準。隨著廣播行業(yè)趨向于更高清晰度的內容，給定的傳送帶寬在適應規(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標準向用戶傳送視頻節(jié)目無疑不再經濟可行。

ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC運動圖像專家組(MPEG)開始力推MPEG4-Part 10(也稱為H.264)標準。H.264可以比先前標準低得多的比特速率提供高品質的圖像質量，在復雜性方面也不會有太大的提高。另外一個目標是讓標準具有足夠的靈活性，以適應各種應用場合(包括低比特率和高比特率以及低分辨率和高分辨率視頻)，并能在各種網絡和系統(tǒng)上良好地工作。還有另外一些壓縮標準(如JPEG2000)，它們采用基于小波算法的狀態(tài)技術。

視頻發(fā)送

壓縮后的視頻可以在廣播室內用ASI標準進行短距離的傳送。業(yè)界的趨勢是使用IP視頻技術長距離發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。Altera公司提供的IP視頻參考設計具有在IP網絡上發(fā)送MPEG-2傳輸流(TS)的功能。該參考設計將一個或一個以上的壓縮視頻流橋接到100Mbps或1Gbps以太網上的IP包。同時，Altera還提供了ASI編碼和譯碼參考設計。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絡上傳送MPEG-2數(shù)據(jù)包。

視頻縮放和去隔行

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

對許多專業(yè)影視室來說，最常見的要求之一是使用單個或多個顯示器設備顯示各種標準的SDTV或HDTV信號。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)來說至關重要，因此視頻縮放和去隔行對視頻切換設備/路由器(swticher/router)來說是很重要的，它能讓切換設備/路由器處理不同類型的視頻分辨率，方便進行視頻切換、路由和本地顯示。

色度空間轉換和視頻格式

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換。顏色一般用不同的色度空間域(color space domain)表示，每個空間域根據(jù)系統(tǒng)要求關聯(lián)到不同的應用。顏色信息由兩個獨立的色度信號Cb和Cr決定，這兩個信號還是第三個信號-亮度或照度信號Y的函數(shù)。RGB色度空間則由三個顏色分量-紅、綠和藍決定。當在使用不同色度空間模型的器件之間傳送數(shù)據(jù)時，就需要進行色度空間轉換。例如，將電視圖像傳送給計算機顯示器，就需要將圖像從YCbCr色度空間模型轉換到RGB色度空間。相反，將圖像從計算機顯示器傳送到電視機時就要求從RGB色度空間轉換成YCbCr色度空間。Altera公司的色度空間轉換器MegaCore功能就可以用來在各種應用場合下實現(xiàn)這些顏色轉換。

視頻和圖像處理系統(tǒng)架構

系統(tǒng)架構可以選擇標準單元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，最終取決于最終設備要求和解決方案的可用性。從上面討論的趨勢來看，理想架構需要具有以下一些特征：高性能、靈活性、易升級、低開發(fā)成本，以及隨著應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，而且與預處理和后處理功能有關。在許多實際應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、濾波和色度空間轉換。廣播市場對高性能的需求排除了只有處理器的架構方案，因為它們無法依靠單個器件滿足性能要求。工作頻率達1GHz的最先進DSP也無法完成H.264高清圖像解碼，而H.264高清編碼的復雜度比解碼要高出約10倍。FPGA是唯一可以解決這個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間，方便升級

在技術飛速發(fā)展的同時，架構必須具有相當大的靈活性和易升級能力。由于標準單元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類市場設計的ASSP很快會過時，因此對大多數(shù)應用來說使用ASSP的風險太大。

3. 低開發(fā)成本

算上掩模和晶圓、軟件、設計驗證和版圖的成本，一個典型的90nm標準單元ASIC的開發(fā)成本將達到3,000萬美元。只有最大批量的消費市場才能消化如此高的開發(fā)成本。在設計小批量設備時最好考慮FPGA，因為它不像ASSP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的高風險。

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備使用。Altera公司FPGA具有的以下一些特點：高性能、靈活性、低開發(fā)成本、防止過時、向低成本發(fā)展的結構化ASIC轉變路徑，以及Altera的視頻和圖像處理解決方案(包括DSP設計流程、Altera的視頻和圖像處理套件、接口和第三方視頻壓縮知識產權，以及視頻參考設計)。

1. 在FPGA/結構化ASIC上實現(xiàn)類似ASSP的功能

隨著解決方案數(shù)量的增加，Altera和合作伙伴已經可以在FPGA或結構化ASIC上提供ASSP功能。ATEME的H.264主類標準清晰度編碼器產品就是一個很好的例子。通過這種產品用戶可以像使用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，不存在過時的風險。

2. DSP設計流程

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

Altera和MathWorks合作創(chuàng)建了一個全面的DSP開發(fā)流程，能讓設計師充分發(fā)揮MathWork公司模型化設計工具Simulink的作用。Altera的DSP Builder是一款DSP開發(fā)工具，用于連接Simulink和Altera公司先進的Quartus II開發(fā)軟件。DSP Builder提供了一個無縫的設計流程，設計師可以在MATLAB軟件中做算法開發(fā)，同時在Simulink軟件中做系統(tǒng)級設計，然后將設計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設計、Altera的嵌入式處理器和知識產權內核于一身的系統(tǒng)。對在使用可編程邏輯設計軟件方面沒有很多經驗的設計人員來說這種開發(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典型視頻系統(tǒng)框圖

4. 視頻開發(fā)套件

Altera公司有兩個新的視頻開發(fā)套件：一個是音視頻開發(fā)套件Stratix II GX Edition，提供2個通道的復合視頻輸出、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、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)工具做的一個視頻參考設計。除了這些套件外，還有多個用于視頻解決方案的Altera第三方開發(fā)套件。