用FPGA替代DSP實(shí)現(xiàn)即時(shí)圖像和視頻處理

　　隨著數(shù)字融合的進(jìn)一步發(fā)展，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)需要更大的靈活性，以解決將完全不同的標(biāo)準(zhǔn)和要求整合為同類產(chǎn)品時(shí)引發(fā)的諸多問題。本文介紹FPGA在視頻處理中的應(yīng)用，與ASSP和芯片組解決方案相比，FPGA可根據(jù)目前設(shè)計(jì)工程師的實(shí)際需求提供不同層次的靈活性，并保持明顯優(yōu)于傳統(tǒng)DSP的性能。

　　實(shí)時(shí)視頻處理對(duì)系統(tǒng)性能的要求極高，因此幾乎所有只具最簡單功能的通用DSP都不具備這項(xiàng)功能。可程序邏輯組件允許設(shè)計(jì)人員利用平行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)處理算法，并且只需單個(gè)組件就能實(shí)現(xiàn)期望的性能?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/DSP">DSP的解決方案通常需要在單板上嵌入許多DSP，以得到必需的處理能力，這無疑將增加程序資源開銷和數(shù)據(jù)內(nèi)存資源開銷。

　　藉由在實(shí)時(shí)環(huán)境下進(jìn)行視頻處理，系統(tǒng)工程人員可將幀內(nèi)存需求和數(shù)據(jù)緩沖需求降至最低，而在非實(shí)時(shí)應(yīng)用中則無需如此。隨著業(yè)界積極推動(dòng)高質(zhì)量視頻開發(fā)以及壓縮格式的不斷改進(jìn)，系統(tǒng)處理速度也不斷提高。可程序邏輯組件也采用了專用尋呼設(shè)備中廣泛采用的FPGA組件架構(gòu)。由于FPGA制程的發(fā)展遵循摩爾定律，因此與稍早開發(fā)的同種產(chǎn)品相比，新產(chǎn)品能以更具吸引力的成本優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)相同的功能和性能。

　　這種趨勢的一大源動(dòng)力來自網(wǎng)絡(luò)、廣播、處理和顯示技術(shù)的融合，即業(yè)界所稱的‘?dāng)?shù)位融合’。由于在極窄的傳輸信道(如無線信道)上發(fā)送高頻寬視頻數(shù)據(jù)并保持適當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)極其困難，因此設(shè)計(jì)人員展開了廣泛的研究，致力于改進(jìn)糾錯(cuò)、壓縮和圖像處理技術(shù)，這些研究均建立在FPGA實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上。

　　圖像壓縮/解壓縮-DCT/IDCT 目前在數(shù)字視頻系統(tǒng)中主要使用的視頻壓縮格式是MPEG2，已廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視、視訊轉(zhuǎn)換盒、數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)、高清晰度電視(HDTV)譯碼器、DVD播放器、視頻會(huì)議設(shè)備和*中。原始的數(shù)字視頻信息總需要進(jìn)行壓縮，以便藉由適當(dāng)?shù)膫鬏斖ǖ纻魉突蛘邇?chǔ)存在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)(如磁盤)中。此外還有許多新標(biāo)準(zhǔn)即將或正在推出，包括最為引人注目的MPEG4，但大多數(shù)基于該技術(shù)的產(chǎn)品仍在開發(fā)中。

　　MPEG2和MPEG4算法的核心是一種稱為離散余弦變換(DCT)的作業(yè)。DCT的基本原理是取圖素塊的平方并除去觀察者察覺不到的冗余信息。為了解壓縮數(shù)據(jù)，還需要反離散余弦(IDCT)運(yùn)算。

　　雖然MPEG算法中的DCT部份已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化并能在FPGA中有效實(shí)現(xiàn)，MPEG編碼仍有許多部份尚未明確規(guī)定。而正是這些不明確部份使得一家公司的產(chǎn)品得以區(qū)別于競爭對(duì)手，并開發(fā)出擁有自主產(chǎn)權(quán)的算法。許多專用MPEG譯碼器在這些部份(如運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊)使用了FPGA。因?yàn)镕PGA可重新配置，因此組件能方便地進(jìn)行刷新，并在整個(gè)開發(fā)階段(包括配置之后)整合新算法，而完全依賴標(biāo)準(zhǔn)ASSP解決方案的公司由于受到自身能力的限制而無法開發(fā)出類似產(chǎn)品，因此市場風(fēng)險(xiǎn)較大(圖1)。