在HDTV等应用中采用FPGA提高灵活性与升级能力
摘要：在分辨率提高与压缩技术进步的同时，高清电视(HDTV)和数字影院等数字视频和图像处理应用对高性能的需求也与日俱增，同时还要保持架构的灵活性，以获得快速升级的能力。此外，随着技术的成熟及需求的增加，降低成本将是大势所趋。可编程逻辑器件(PLD)能够提供满足这些需要的解决方案，正在新兴的数字视频广播基础架构中扮演着重要角色。
近年来，高清电视(HDTV)和数字影院等众多创新技术不断涌现。这些创新主要围绕着视频和图像处理而展开，个中的技术演进速度非常之快。在这种创新背后，主要的推动力便是图像捕获与显示器分辨率、先进的压缩技术以及视频智能技术的飞跃进步。例如，就广播终端设备而言，HDTV的分辨率高达1,920×1,080像素，数字影院的分辨率更达4,096×1,714像素。
在压缩技术方面，也不断出现更新换代。如今的先进压缩技术具有更好的流媒体能力和更低的延迟，且在同等质量条件下可提供更高的压缩率。以JPEG2000为例，存储技术与数码相机成为了这种先进压缩技术的重要推力。在这些新的压缩解决方案日趋流行的同时，各个标准委员会仍在继续增强H.264和JPEG2000标准。
过去十年中，在数字电视广播行业，MPEG-2标准很好地满足了标清电视(SDTV)应用所需。而着眼未来，H.264-AVC(MPEG4-Part 10)与微软版的VC1将最终取代MPEG-2，成为应用于SDTV和HDTV的视频编码技术。为了满足当前及未来的需求，广播设备生产商必需提供多种不同的编码标准。除了各种核心视频编解码(CODEC)标准之外，还有不同类型的视频预处理和后处理算法，可用于提高消费产品的总体图像质量。
在分辨率提高与压缩技术进步的同时，对高性能的需求也与日俱增，同时还要保持架构的灵活性，以获得快速升级的能力。此外，随着技术的成熟及需求的增加，降低成本将是大势所趋。可编程逻辑器件(PLD)能够提供满足这些需要的解决方案，正在新兴的数字视频广播基础架构中扮演着重要角色。
视频内容创建
在视频广播链中，第一环便是捕获音视频内容的专业数码摄像机。视频可以是标清(SD)，也可以是高清(HD)。数码摄像机一般具有运动图像和电视工程师协会(SMPTE)定义的串行数据接口(SDI)输出。SDI是一种未压缩的视频流，传输速率分别为270Mbps(SD)、1.485Gbps(HD)和2.97Gbps(1080p HD)。Altera公司的Stratix II GX FPGA集成了串行解串器(SERDES)和时钟/数据恢复(CDR)，能够处理视频流，并传输至数码摄像机的SDI输出。
视频预/后处理
在北美地区，广播运营商采用NTSC标准进行电视传输，每个频道具有固定的6MHz带宽。而欧洲及其它一些地区采用PAL标准，每个频道的固定带宽为8MHz。这种带宽上的限制在数字电视出现之前很久就已设定了，使得当前的数字电视(DTV)传输规范也受到影响。数字视频质量远优于传统的模拟视频。数字视频的清晰度越高，传输视频数据所需的带宽就越大。要想提供高质量的视频，一般都要对视频源进行预处理。
在具有多种不同视频压缩标准的数字领域，对可用带宽的限制，会在显示经过解码的视频流时，以不同方式反映出来。如果视频压缩器所受压力过大，由于要经历基于模块的CODEC的DCT(离散余弦变换)，马赛克噪音或方块效应就会出现。视频经过预处理和后处理后，将更易于通过编码器进行压缩，并可以进一步提改进图像质量、降低传输带宽要求。对于有线电视、卫星电视、电信运营商和IPTV等必须以较窄带宽满足高质量要求的广播业务模式而言，这种能力至关重要。视频预处理中，有一部分可能涉及到使用2D滤波，目的是使某些高频内容在进入编码器之前变得平滑，从而减小马赛克噪音。Altera的视频及图像处理套件包含了2D有限冲激响应(FIR)及中值滤波器功能，利用3×3、5×5或7×7常系数矩阵提供了灵活有效的方法来完成2D FIR滤波任务。因此，对任何一类视频压缩技术来说，要在带宽受限的环境中获得最佳性能，预/后处理能力是关键所在。
视频压缩
接下来的一环，便是在向终端用户传输之前，压缩已经预处理的原始视频数据。压缩标准从MPEG1到MPEG4已历经数代，分别采用四种压缩方法：离散余弦变换(DCT)、矢量量化(VQ)、碎片压缩(fractal compression)以及离散小波变换(DWT)。
就全球而言，MPEG-2仍是数字电视领域的主导标准，被数字有线、卫星和地面广播公司广泛采用。随着广播行业需要越来越多地提供高清内容，既定的传输带宽面临着前所未有的压力，因为要使其适应预定义的模拟带宽频谱的要求。当IPTV开始在传统的电信有线系统上推出时，作为把视频节目传输给用户的方式，MPEG-2显然不再经济可行。ITU-T视频编码专家组(VCEG)和ISO/IEC运动图像专家组(MPEG)提出了MPEG4-Part 10(也称为H.264)标准。H.264能够提供高视频质量，但比特率比前几代标准低得多，却又不会增加太多复杂性，从而具有设计可行性(不过于昂贵)。该标准的另一个目标是足够灵活，以适用于非常广泛的应用范围(比特率和清晰度高低不等的视频)，并在各种网络和系统上工作良好。Altera的知识产权合作伙伴ATEME利用Stratix II FPGA，已推出业界首款用于广播业的单芯片SD H.264主规格(Main Profile)编码器。
还有其它一些压缩标准，如JPEG2000，它采用了基于小波变换技术的技术。这种架构应该适合于便携式数码相机、视频存储设备和先进的医学成像设备。
视频传送
视频数据经过压缩后，可利用面向短距离路由的ASI标准，在广播演播室设施内进行路由和传发。而在长距离的视频数据传送上，业界的趋势是利用IP网络。Altera提供了一个IP视频参考设计，能够在IP网络上进行MPEG-2传输流(TS)数据的传输。该参考设计通过速率为100Mbps或1Gbps的以太网，将一个或多个压缩视频流与IP数据包结合起来。Altera公司同时还提供ASI编码和解码参考设计。数字视频广播异步串行接口(DVB-ASI)是一种串行数据传输协议，能够在铜缆或光网络上传输MPEG-2数据包。
视频缩放(Scaling)与去隔行(De-Interlacing)
在SD到HD转换或HD到SD转换的应用中，演播室和头端(head-end)设备通常能够执行视频缩放和去隔行(De-interlacing)处理。其它类似应用还包括用于边缘检测处理的滤波器、垂直运动滤波器和内场运动滤波器。
许多专业演播室的共同要求之一是能够利用单个或多个显示设备来显示各种正常的SDTV或HDTV信号。要建立一个专业的易于使用的系统，通过遥控来轻松控制这些不同源之间的切换的能力是至为重要的。因此，对视频开关/路由器而言，视频缩放和解隔行处理功能是关键，它们能够处理视频开关、路由以及本地显示的不同类型的视频清晰度，如图所示。
色度空间与视频格式变换
由于视频格式多种多样，最终用户所处地理位置又各不相同，广播演播室必须能够在不同的色度空间和视频格式之间进行变换。色彩是利用不同的色度空间范围来描述的，每一个空间范围都与基于系统要求的应用相关联。色彩信息通过两个独立的色度信号Cb和Cr来确定，它们是第三个信号Y(亮度)的函数。RGB色度空间也是由三原色(红、绿、蓝)定义的。在使用不同色度空间模型的设备间传输数据时，就常常需要进行色度空间变换。例如，要把电视图像传输到计算机显示器上，就可能需要把图像从YCbCr色度空间变换到RGB色度空间。反之，把计算机显示器上的图像传输到电视机上，则需要从RGB色度空间变换到YCbCr色度空间。Altera推出了色度空间变换器MegaCore，适合于在广泛的应用中执行这种类型的色度变换。
总体广播系统基础架构
总体的数字广播基础架构由电视演播室或电影制片厂的原始视频内容建立开始，然后采用SDI接口把原始视频传输到存储设备或某类非线性编辑器(NLE)中，以进行视频编辑和特性扩展。在编码处理过程中，编辑后的视频利用MPEG-2、JPEG2000或H.264标准进行压缩，再经由有线、卫星、地面或最新的IPTV技术网络，传送给用户。下图显示了广播基础架构的高层构建模块。
视频与图像处理系统架构及Altera方案
在系统架构问题上，可选择标准单元ASIC、ASSP或可编程解决方案，如数字信号处理(DSP)、媒体处理器和FPGA。每种方案都有其优缺点，最终的选择取决于终端设备的要求以及解决方案的可用性。按照上文讨论的趋势，理想的架构将具有以下特性：高性能、灵活性、易于升级、低开发成本，还有就是随着应用的成熟与使用量的增加，应该具有降低成本的变迁路径(migration path)。FPGA特别适合于视频图像处理架构的要求。而Altera FPGA的一些特性，使其颇具吸引力。
1)高性能。性能不仅涉及到压缩，也同样涉及到预处理和后处理功能。事实上，在许多情况下，诸如缩放、解隔行、滤波和色度空间变换这些功能，比压缩算法本身消耗的性能更多。如今，单纯采用处理器(processor-only)的架构很难满足广播市场对高性能的需求。一个工作在1GHz频率的最先进DSP，也无法完成H.264 HD解码，而H.264 HD编码比解码还要复杂约10倍。FPGA是唯一能够解决这一问题的可编程解决方案。在某些情况下，一个FPGA加上一个外部DSP处理器可构成最佳解决方案。而Altera的单个FPGA即可实现HD处理。
2)灵活性与易于升级。灵活性不仅有利于加快上市进程时间，还便于轻松升级。当技术发展相当迅猛时，架构必须具有灵活性并易于升级。标准单元ASIC和ASSP都不具备这些特性，不能用于相关应用。ASSP一般是针对需求量极大的消费市场而设计的，淘汰换代往往相当快，故而对大多数应用而言，选择它们意味着极大的风险。而Altera FPGA提供了快速升级架构的能力，可满足不断发展的要求，同时，这种可升级性还使得FPGA能够用于低成本高性能系统。
3)低开发成本。掩膜、晶圆、软件、设计验证和版图的成本加在一起，一个典型的90纳米工艺标准单元ASIC开发费用高达3千万美元之巨。只有需求量最大的消费市场才能够承当得起这种高昂的成本。而Altera的视频开发工具包起价低至1,095美元，包含了利用Altera FPGA来开发视频系统所需的软件工具。
4)降低单位成本的变迁路径。随着标准成熟，需求量增加，拥有一个具有低成本变迁路径的解决方案是十分重要的。而这常常意味着不是ASSP就是标准单元定制ASIC器件等市场焦点。不过，定制芯片成本的上升，使得这些解决方案只有在需求量最大的消费应用领域才有其经济可行性。大多数专注于视频图像的公司都瞄准了诸如视频摄像机、机顶盒、数码相机、手机和其它便携式产品，或液晶电视及显示器等应用产品。所以，在设计一种批量较低的应用时，最好考虑采用FPGA，因为不可能有现成的正好具有所需功能集的ASSP，即便是最好的现货解决方案，由于很容易过时被淘汰，也属高风险选择。相比较而言，Altera FPGA拥有极大客户基础，产品推出后供货时间可长达多年。此外，FPGA设计很容易从一个工艺节点转到下一个节点。而Altera结构化ASIC每百万ASIC逻辑门100k单位批量起价15美元。
此外，Altera及其合作伙伴不断推出更多的解决方案，以FPGA或结构化ASIC的形式提供了ASSP功能。其中一例是ATEME H.264主规格标准清晰度编码产品。利用这种产品，客户可以象使用ASSP那样使用FPGA。相比传统ASSP方案，其优势在于FPGA解决方案发展迅速，没有过时的风险。
Altera的视频图像处理解决方案包括最优化DSP设计流、Altera视频图像处理套件、接口和第三方视频压缩知识产权，以及视频参考设计。
1)DSP设计流程。对于客户开发来说，Altera提供了一种最优化DSP设计流程，允许采用好几种不同方法来描述设计，比如VHDL/Verilog、基于模型的设计，以及基于C语言的设计。可以利用Altera的视频图像处理功能套件来连接这些设计流程功能选项中的任一个。
Altera与MathWorks公司联手创建了一种全面的DSP开发流，使设计人员既能够享受到Altera FPGA的性价比优势，又能充分发挥Simulink仿真工具的作用，Simulink是MathWorks的基于模型的设计工具。Altera的DSP Builder是一种连接Simulink和Altera Quartus' II开发软件的DSP开发工具。DSP Builder提供了一种无缝设计流程，在这种流程里，设计人员可以在MATLAB软件中执行算法开发，在Simulink软件中执行系统级设计，然后把设计移植到将用于Quartus II软件的硬件描述语言(HDL)文件中。DSP Builder工具与SOPC Builder工具紧密集成在一起，使用户能够构建出结合了Simulink设计与Altera嵌入式处理器以及IP核的系统。对于那些在利用可编程逻辑设计软件方面缺乏广泛经验的设计人员而言，这种开发流程简易直观。
2)视频和图像处理套件。Altera的视频图像处理套件包含9项功能，其参数可以静态改变，某些情况下也可以动态改变。该2D滤波器内核支持的静态参数包括清晰度、采样比特数(Bits Per Sample)、FIR滤波器大小、边缘行为、溢出行为和累加器长度等。
3)视频压缩。有几家第三方公司已有针对Altera FPGA及其结构化ASIC的视频压缩解决方案。
4)视频接口和系统知识产权。Altera及其合作伙伴还提供了视频系统常需要的接口核，包括ASI、SDI、10/100/1000 以太网以及DDR/DDR2存储控制器。表5列出了部分这类核心和参考设计。
5)视频开发工具包。Altera有两个新的视频开发工具包。音频视频开发工具包Stratix II GX 版具有1个2-通道复合视频输入端口、VGA输出端口、96-KHz 音频 I/O、256Mbyte DDR2 DRAM和Cyclone II器件。视频开发工具包Stratix II GX版支持4-通道HD SDI、ASI、DVI、HDMI、USB、千兆以太网、1394和 DDR2 SDRAM。这些工具包中包含一个利用了视频图像处理套件和DSP Builder及SOPC Builder开发工具的视频参考设计。除了这些工具包之外，还有好几个瞄准视频解决方案的Altera第三方开发工具包。
6)基准。表6和表7列出了功能范例及其实现所需要的相应的FPGA。Altera的低成本Cyclone II FPGA集成了1.1Mb的嵌入式存储器、300个250MHz的嵌入式9×9乘法器以及68,000个逻辑单元(LE)。Cyclone EP2C35是该系列中的中等产品，250k批量单价为22美元。Stratix II高性能、高密度器件拥有高达9Mb的嵌入式存储器、768个450MHz的9×9嵌入式乘法器，以及179,000个逻辑单元。这些功能可以在Altera的HardCopy' II结构化ASIC器件中实现。
小结
在广播业的数字视频和图像处理中，可编程逻辑器件的作用将越来越重要。这种方案的关键价值在于，它们能给予设备生产商保持竞争力所需的灵活性和升级能力。Altera的产品组合不仅提供硅硬件，还拥有知识产权，从而能够实现从内容创建到通过编码进入传送链的整个系统解决方案。 |
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