FPGA在廣播視頻處理中的應(yīng)用(圖)

1.時機(jī)
　　在世界范圍內(nèi)，廣播視頻系統(tǒng)的需求都在逐年顯著增加，原因是以下的一些因素同時發(fā)生了作用：
　　● 可供觀眾選擇的廣播頻道的增加。世界范圍內(nèi)，更多觀眾的選擇從很少的幾個頻道發(fā)展到幾百個頻道。
　　● 有線電視和衛(wèi)星電視傳送網(wǎng)的發(fā)展。而互聯(lián)網(wǎng)廣播的發(fā)展更使我們進(jìn)入了“百萬頻道”的時代。
　　● 用于信息交流，培訓(xùn)和安全保衛(wèi)的公司內(nèi)部和小范圍的小型廣播視頻應(yīng)用的發(fā)展。在娛樂業(yè)界也有了長足的發(fā)展，例如飯店視頻點(diǎn)播、超大屏幕電子顯示屏等。
　　● 延時視頻播放、準(zhǔn)視頻點(diǎn)播大大增加了用戶使用的方便程度，使用戶需要更多的頻道。
　　● 當(dāng)今，大尺寸屏幕電視由普通電視向高清晰電視發(fā)展，導(dǎo)致我們需要安裝更多的廣播設(shè)備。
　　● 視頻所包含內(nèi)容快速增加。附加的特技效果、多視窗、字幕疊加、重播等功能需要更高性能的廣播設(shè)備。
　　● 視頻資源的豐富。與以前只有在特別的演播室制作和重大事件的報道相比，現(xiàn)在可在每個社區(qū)和商家制作。視頻資源的數(shù)量飛快增長，出現(xiàn)了一個全新的低端廣播設(shè)備市場。
　　● 快速地向數(shù)字電視轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致更換老舊的模擬信號系統(tǒng)
　　● 由于數(shù)字電視革命的發(fā)生，在各種數(shù)字信號規(guī)格之間進(jìn)行視頻編碼轉(zhuǎn)換的需求很強(qiáng)，這導(dǎo)致了需要添加廣播設(shè)備，包括：
　　● 基本規(guī)格：非壓縮、時間壓縮、mpeg2、mpeg4、h.264壓縮、windows media9、real networks等；
　　● 圖像尺寸：標(biāo)準(zhǔn)畫質(zhì)（sd）、高畫質(zhì)720p、高畫質(zhì)1080p；
　　● 傳輸/封裝規(guī)格：atsc/dvb、sdi、ip等；
　　● 音頻規(guī)格：aes3等；
　　● 國際規(guī)格：ntsc、pal；
　　● 設(shè)備接口：1394火線接口、dvi接口、gige ethernet接口；

　　上面所發(fā)生的這些最新的變化使功能強(qiáng)大的廣播視頻設(shè)備成為必需。廣播設(shè)備需要更強(qiáng)的處理功能、更多的輸出頻道、更多的輸出規(guī)格等更廣的應(yīng)用范圍。

　　本論文論述了一個將滿足未來需要的全新的產(chǎn)品平臺。這一平臺的產(chǎn)品成本和開發(fā)成本將比現(xiàn)有的系統(tǒng)低。

2.視頻系統(tǒng)平臺
　　首先，讓我們調(diào)查一些現(xiàn)今使用的視頻廣播系統(tǒng)和視頻平臺。一般來講，用于視頻制作和發(fā)行的基本處理有以下一些方面：
　　內(nèi)容制作：攝像機(jī)制作和電腦制作；編輯/圖像疊加/圖像混合；特技效果；視頻畫質(zhì)增強(qiáng)；視頻信號格式轉(zhuǎn)換；視頻存儲。
　　視頻的提取和發(fā)布：視頻提取規(guī)格轉(zhuǎn)換；插入節(jié)目信息和廣告；廣播視頻規(guī)格轉(zhuǎn)換；發(fā)行：普通、延時播放、視頻點(diǎn)播。

　　今天，用于完成以上視頻功能的平臺可大致分為以下幾種類型：

　　內(nèi)容制作平臺
　　因為內(nèi)容制作平臺是非實時系統(tǒng)，所以并無很高的性能要求，即使處理時間大于實際時間也沒問題。因此，一般的電腦和工作站就可勝任。通常，這些平臺會和視頻加速板一起使用，但這個加速板只是為了提高視頻制作人員的工作效率，而不是為了實時處理的需求。

　　視頻提取和發(fā)布平臺
　　視頻提取和發(fā)布平臺必須和視頻廣播同步，所有的處理必須在視頻廣播的線頻和幀頻內(nèi)完成，所以有絕對的高性能要求?？煽啃砸彩沁@些處理的必然要求。
　　為了達(dá)到這些要求，大多數(shù)現(xiàn)今使用的視頻提取和發(fā)布平臺是建立在廠家的專業(yè)廣播平臺之上的。這一平臺由建立于專業(yè)設(shè)備中的若干特殊功能的模塊組成。
　　一些廠家已經(jīng)開始使用低成本的個人電腦進(jìn)行實時視頻處理，但這只是局限于處理一些有限的外圍功能，而且沒有成為視頻提取和發(fā)布系統(tǒng)的主流。
　　事實已經(jīng)非常清楚，基于個人電腦的平臺將在視頻提取和發(fā)布系統(tǒng)中逐步發(fā)揮越來越大的作用。由于以下原因，這些平臺將有廣闊的應(yīng)用前景：

　　● 大容量處理帶來的突出的性能價格比；
　　● 可用于不同應(yīng)用軟件廠家的標(biāo)準(zhǔn)平臺，更好的功能，更低的成本；
　　● 更高的性能價格比和更多的功能；

3.個人電腦的長處和局限
　　個人電腦的能力不斷得到提高，現(xiàn)已達(dá)到可實時處理單視頻流、壓縮單視頻流，并將其存儲在硬盤上，進(jìn)行解壓并播放標(biāo)準(zhǔn)畫質(zhì)流。盡管如此，個人電腦的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠處理許多非壓縮視頻流的視頻處理、末端視頻發(fā)布的處理、實況轉(zhuǎn)播處理和其他高畫質(zhì)的視頻處理。
　　目前，進(jìn)行非壓縮視頻處理的難點(diǎn)在于解決來自各廠家的無數(shù)的專業(yè)處理板的矛盾。這些專業(yè)處理板能夠完成它們某種特定的功能，但不能靈活地增加新功能，而當(dāng)你需要多個功能時，你需要對不同廠家完全不同的處理板進(jìn)行協(xié)調(diào)。
　　市場需要的是一種具有靈活性的，在一臺個人電腦上可處理非壓縮視頻的平臺。它能夠提供像高端系統(tǒng)的專業(yè)設(shè)備所具有的處理威力和低端個人電腦系統(tǒng)具有的低價格。

4.視頻處理中的fpga
　　由altera或其他公司生產(chǎn)的fpga（現(xiàn)場可編程門陣列）是一種成長非常快的半導(dǎo)體芯片。在過去10年里，這些芯片被廣泛使用并不斷提高自身的性能，現(xiàn)在擁有20億美元的市場并廣泛應(yīng)用于通信、軍事和廣播器材等領(lǐng)域。


 
　　fpga芯片具有提供可編程軟件的能力和專業(yè)硬件的處理性能。在視頻應(yīng)用中，fpga芯片可以在個人電腦平臺上提供高達(dá)10～100倍的處理能力，而且當(dāng)用戶需要更改系統(tǒng)的功能時，只需重新下載一個文件以修改用戶的硬件配置，1秒鐘就可完成用戶的硬件升級。
　　雖然fpga技術(shù)早已被應(yīng)用于廣播視頻業(yè)界，但到目前為止，這類應(yīng)用大多局限于專業(yè)平臺上的特定功能，只有很少的應(yīng)用于個人電腦pci板上的特定功能。
　　盡管如此，近年來fpga的處理能力還是得到了迅猛地發(fā)展?，F(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)化到了一個芯片可執(zhí)行一個板的功能，或者說一個芯片可執(zhí)行一個系統(tǒng)的功能（soc）的地步。因為在一塊pci板上可安裝多個fpga芯片，這就使在一塊板上開發(fā)一個等同于一臺專業(yè)設(shè)備的完整系統(tǒng)成為可能。
　　另外，在現(xiàn)有的技術(shù)下，標(biāo)準(zhǔn)的視頻處理功能模塊可以被下載到一個新型的高處理能力的fpga芯片中。這些模塊就如同組成一個專業(yè)設(shè)備中的多個功能模塊。也就是說，現(xiàn)在的一個芯片就可以包含整個系統(tǒng)，而不需要像以前一樣由一臺專業(yè)設(shè)備來實現(xiàn)。
　　這一開發(fā)方式較之開發(fā)專業(yè)設(shè)備系統(tǒng)有如下優(yōu)越性：低得多的開發(fā)成本；低得多的系統(tǒng)成本；用戶設(shè)計和升級極其方便；可直接使用個人電腦平臺的應(yīng)用軟件。

5.開發(fā)“個人電腦+fpga”平臺

　　當(dāng)使用“個人電腦+fpga”算法設(shè)計視頻系統(tǒng)時，最重要的是決定哪些處理在fpga中運(yùn)行，哪些處理在個人電腦上運(yùn)行。一般來講，最佳的系統(tǒng)設(shè)計是所有的高速數(shù)據(jù)流通過fpga，而不通過個人電腦。個人電腦可用于數(shù)據(jù)流管理和一些比較低的數(shù)據(jù)輸出功能，例如插入疊加數(shù)據(jù)。
　　以下類型的處理適于通過fpga得到最佳性能：視頻混合/疊加；同步壓縮/解壓；數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換/轉(zhuǎn)碼；多頻道同時輸出系統(tǒng)的ip、dvb/atsc規(guī)格封包/流處理；視頻提取、解壓、多頻道廣播；視頻增強(qiáng)：減噪、色像穩(wěn)定、分辨率增強(qiáng)等；視頻、音頻和其他數(shù)據(jù)流處理。

　　基于一個fpga芯片的板可處理合計高達(dá)500mb的帶寬（相當(dāng)于一個高畫質(zhì)非壓縮數(shù)據(jù)流或4個標(biāo)準(zhǔn)畫質(zhì)非壓縮數(shù)據(jù)流）。

　　如果用戶需要，一臺個人電腦可攜帶多塊處理板，一臺塔式rack-mount服務(wù)器可包含多臺個人電腦。

　　這一設(shè)計方法應(yīng)用十分廣泛，從可處理幾個sdi數(shù)據(jù)流的小型個人電腦直到處理上百個數(shù)據(jù)流的塔式服務(wù)器都可勝任。

6.“個人電腦+fpga”平臺的應(yīng)用
　　使用以上“個人電腦+fpga”平臺的算法，對于以下類型的應(yīng)用可提供低成本、高效率的解決方案：局部網(wǎng)、娛樂、萬維網(wǎng)、有線電視的視頻點(diǎn)播服務(wù)器；定時重播服務(wù)器；延時；體育節(jié)目和其他節(jié)目的視頻實況制作；atsc/dvb 數(shù)據(jù)廣播；社區(qū)服務(wù)系統(tǒng)、當(dāng)?shù)匦侣?天氣預(yù)報、有線網(wǎng)上購物；互聯(lián)網(wǎng)的合作交流頻道；多頻道衛(wèi)星接受設(shè)備；節(jié)目制作和插入廣告設(shè)備；區(qū)域性視頻發(fā)布系統(tǒng)。

7.介紹： tsunami板上視頻平臺
　　avvida 公司的tsunami pci板和wave開發(fā)工具包可使用戶快速開發(fā)并量產(chǎn)他們的產(chǎn)品。

　　tsunami廣播處理板包括：最多達(dá)6個sdi接口；最多達(dá)5個fpga芯片，每個芯片擁有4個高速內(nèi)存，能夠?qū)崿F(xiàn)多種視頻處理功能；通過pci總線與個人電腦的高帶寬內(nèi)存存??；一個數(shù)字視頻輸入接口，從個人電腦到tsunami廣播板的傳送速率可達(dá)300mbps。

　　avvida 公司可提供如下的視頻處理功能模塊：sdi raw視頻格式和4∶4∶2、yuv、ycrcb、其他同步壓縮格式之間的格式轉(zhuǎn)換；4∶4∶4到4∶4∶2格式的抽樣；色彩空間轉(zhuǎn)換：rgb格式到y(tǒng)uv格式；視頻和音頻的疊加和混合；sdi輸入/輸出處理和誤碼檢測（edh）的插入和提??；同步鎖相；mpeg2、mpeg4和其他的壓縮/解壓規(guī)格；sdi輸入信號存盤；存儲內(nèi)容重播；其他。

8.總結(jié)
　　對更強(qiáng)處理能力的數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)的需求正在快速增長，這對一種應(yīng)用前景廣闊的系統(tǒng)既是一種新的挑戰(zhàn)，也是一個新的機(jī)會。一臺裝配了avvida 公司強(qiáng)大威力的tsunami fpga pci處理板的標(biāo)準(zhǔn)個人電腦能夠有效地滿足市場的需求。處理板所附加的基于fpga的視頻處理功能模塊可為用戶帶來更低開發(fā)成本和更短的投放市場時間。