如何在FPGA中實(shí)現(xiàn)圖像格式轉(zhuǎn)換

圖5. 更新縮放功能

　　為進(jìn)一步定制設(shè)計(jì)，您可以針對MegaCore 功能來修改參數(shù)。Altera 開發(fā)的所有視頻功能都是可以進(jìn)行參數(shù)賦值的。如圖6 所示，利用去隔行器功能，您不但可以選擇去隔行算法，還可以選擇默認(rèn)場、直通模式、外部存儲器緩沖幀數(shù)量、輸出幀速率和運(yùn)動控制補(bǔ)償?shù)人惴ā?/font>

圖6. 參數(shù)賦值硬件功能模塊

　　Avalon-ST 和Avalon-MM 接口標(biāo)準(zhǔn)的開放即插即用規(guī)范意味著您可以先進(jìn)行圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，然后，采用定制模塊來替換Altera 模塊。很多設(shè)計(jì)人員都有適合自己應(yīng)用的定制算法。為實(shí)現(xiàn)定制算法的簡單集成，Altera 提供支持Avalon-ST 接口打包器的HDL 模板。打包器包括以下模塊：

　　■ VIP 控制數(shù)據(jù)包解碼器——從數(shù)據(jù)流中解碼VIP 控制數(shù)據(jù)包，將解碼后的數(shù)據(jù)（ 寬度、高度、隔行信息）作為單獨(dú)的信號發(fā)送給算法功能模塊。

　　■ VIP 控制數(shù)據(jù)包編碼器——根據(jù)接收到的寬度、高度和隔行信息對VIP 控制數(shù)據(jù)包編碼，將其插入到數(shù)據(jù)流中。

　　■ VIP 流控制打包器——圍繞用戶算法進(jìn)行打包處理，實(shí)現(xiàn) Avalon-ST 與簡單讀寫接口的流控制轉(zhuǎn)換。

　　■ 用戶算法內(nèi)核——HDL 模板在用戶算法模塊中提供了簡單的設(shè)計(jì)實(shí)例。您可以采用自己的算法替代這一模塊。

　　圖7 所示為HDL 模板的高級結(jié)構(gòu)視圖。

圖7. Avalon 流HDL 模板

　　Algolith 作為Altera IP 合作伙伴，是視頻IP 領(lǐng)域的專業(yè)公司，采用了HDL 模板來評估其內(nèi)核。Algolith 開始時(shí)采用Altera 參考設(shè)計(jì)進(jìn)行圖像格式轉(zhuǎn)換，然后使用自己的專用運(yùn)動自適應(yīng)去隔行器替代Altera 去隔行器，并提供給用戶，在硬件中進(jìn)行評估。同樣， Algolith 使用Altera 視頻設(shè)計(jì)工作臺開發(fā)了參考設(shè)計(jì)，幫助用戶評估他們的噪聲抑制IP。

　　4 結(jié)論

　　Altera 視頻工作臺為廣播基礎(chǔ)實(shí)施系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像格式轉(zhuǎn)換提供所有必須的關(guān)鍵功能。采用Altera 視頻設(shè)計(jì)工作臺和圖像格式轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)， FPGA 設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用以前只有廣播ASSP 才能提供的功能，而且還具有靈活性和硬件定制等優(yōu)勢。

　引言

　　服務(wù)器、交換機(jī)、前端編碼器以及專用演播顯示器等廣播基礎(chǔ)設(shè)備系統(tǒng)支持各種輸入圖像格式，在存儲、編碼和顯示之前，通常需要將圖像轉(zhuǎn)換為高清晰（HD） 或者其他分辨率格式。專用ASSP 雖然滿足了這一市場需求，取得了一定的成功，但仍然面臨通過采用單芯片方案來滿足廣播設(shè)備供應(yīng)商各種特殊需求這一挑戰(zhàn)。例如，在交換機(jī)應(yīng)用中，總延時(shí)非常重要，延時(shí)是顯示和視頻會議系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，而圖像質(zhì)量是攝制后期設(shè)備最重要的指標(biāo)。除了這些特殊應(yīng)用需求，器件還必須能夠支持各種幀速率、分辨率和格式。

　　而且，這類設(shè)備的設(shè)計(jì)周期相對較短，當(dāng)需求變化時(shí)，設(shè)計(jì)人員沒有足夠的時(shí)間等待長周期ASSP 重制的完成。結(jié)果，很多優(yōu)秀的視頻技術(shù)ASSP 供應(yīng)商在這一領(lǐng)域未能及時(shí)跟上市場的腳步，被消費(fèi)類電子芯片生產(chǎn)商收購，為消費(fèi)類市場提供視頻處理專業(yè)技術(shù)。例如， Gennum （VXP）、Genesis、Silicon Optix 和LetIt Wave 分別被Sigma Designs、ST Micro、IDT 和Zoran 收購。

　　在這一ASSP 行業(yè)合并和重新定位過程中， FPGA 視頻處理功能不斷增強(qiáng)，成為定制圖像格式轉(zhuǎn)換應(yīng)用的理想平臺。為支持加速實(shí)現(xiàn)FPGA 圖像格式轉(zhuǎn)換， Altera 開發(fā)了本白皮書介紹的1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員輕松開發(fā)定制圖像格式轉(zhuǎn)換信號鏈。本文所討論的圖像格式轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)可以作為起點(diǎn)，適當(dāng)修改后用于定制視頻處理應(yīng)用開發(fā)。本設(shè)計(jì)經(jīng)過硬件驗(yàn)證，可以提供給授權(quán)用戶。

　　1 視頻設(shè)計(jì)工作臺

　　Altera 視頻設(shè)計(jì)工作臺集成了各種工具和構(gòu)建模塊視頻功能，有助于加速定制圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。它包括以下組成：

　　■ 構(gòu)建模塊視頻知識產(chǎn)權(quán)（IP） 內(nèi)核

　　■ 格式轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)，展示FPGA 功能，提供設(shè)計(jì)起點(diǎn)。

　　■ 低開銷開放視頻接口，支持混合匹配定制或者商用IP 模塊。

　　■ 用于集成處理器和存儲器子系統(tǒng)的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)工具

　　■ 可迅速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)的各種視頻開發(fā)套件

　　Altera 為視頻處理開發(fā)了各種構(gòu)建模塊，即，視頻和圖像處理（VIP） 包（ 參見圖1）。在這一開發(fā)包的眾多功能中，縮放和去隔行是圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)最常用的功能。Altera 的VIP 包具有復(fù)雜的多相縮放引擎和去隔行功能，可以配置實(shí)現(xiàn)運(yùn)動自適應(yīng)去隔行功能。其他常用的功能包括色度重新采樣、顏色空間轉(zhuǎn)換以及幀速率轉(zhuǎn)換等，這些都含在VIP 包中。可以把這些視頻功能結(jié)合在一起，開發(fā)定制視頻格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。

圖1. 視頻圖像處理（VIP） 包

　　這一視頻設(shè)計(jì)工作臺提供以前由ASSP 實(shí)現(xiàn)的功能，還具有定制設(shè)計(jì)并進(jìn)行更新的優(yōu)點(diǎn)（ 參見表1）。

表1. Altera 視頻設(shè)計(jì)工作臺與廣播ASSP 的對比