在FPGA中實現(xiàn)圖像格式轉(zhuǎn)換的參考設(shè)計

　　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，總延時非常重要，延時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)計周期相對較短，當(dāng)需求變化時，設(shè)計人員沒有足夠的時間等待長周期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)域未能及時跟上市場的腳步，被消費類電子芯片生產(chǎn)商收購，為消費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，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)計工作臺，幫助系統(tǒng)設(shè)計人員輕松開發(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)計可以作為起點，適當(dāng)修改后用于定制視頻處理應(yīng)用開發(fā)。本設(shè)計經(jīng)過硬件驗證，可以提供給授權(quán)用戶。

　　1 視頻設(shè)計工作臺

　　Altera 視頻設(shè)計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)計的開發(fā)和實現(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，展示FPGA 功能，提供設(shè)計起點。

　　■ 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)計工具

　　■ 可迅速進(jìn)行原型設(shè)計的各種視頻開發(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，可以配置實現(xiàn)運動自適應(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?？梢园堰@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。

　　圖1. 視頻圖像處理（VIP） 包

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

　　表1. Altera 視頻設(shè)計工作臺與廣播ASSP 的對比

　　2 圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計

　　如圖2 所示，幾乎所有的演播系統(tǒng)，包括服務(wù)器、交換機(jī)、前端編碼器和面板等都需要進(jìn)行定制圖像格式轉(zhuǎn)換，這是非常適合可編程FPGA 體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。Altera 圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計實現(xiàn)了隔行和逐行格式視頻標(biāo)準(zhǔn)清晰度（SD） 和HD 視頻流的高質(zhì)量上、下、交叉轉(zhuǎn)換。這一設(shè)計在硬件中進(jìn)行了驗證，可以從當(dāng)?shù)谹ltera 現(xiàn)場應(yīng)用工程師（FAE） 那里獲得。

　　圖2. 典型演播系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖

　　圖3 所示的格式轉(zhuǎn)換設(shè)計實現(xiàn)了雙通道視頻的圖像格式轉(zhuǎn)換。該設(shè)計包括兩路SDI 通道視頻，處理SD、HD 以及3G-SDI （ 全HD）。

　　圖3. Altera 采用視頻設(shè)計工作臺開發(fā)的圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計