采用FPGA實現(xiàn)廣播視頻基礎(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)

就數(shù)字電視而言，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)占據(jù)著主導(dǎo)地位，數(shù)字有線、衛(wèi)星和地面廣播都在使用這種標(biāo)準(zhǔn)。隨著廣播行業(yè)趨向于更高清晰度的內(nèi)容，給定的傳送帶寬在適應(yīng)規(guī)定的模擬帶寬上承受著越來越大的壓力。隨著IPTV在傳統(tǒng)電信有線系統(tǒng)上的興起，用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)向用戶傳送視頻節(jié)目無疑不再經(jīng)濟(jì)可行。

ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC運(yùn)動圖像專家組(MPEG)開始力推MPEG4-Part 10(也稱為H.264)標(biāo)準(zhǔn)。H.264可以比先前標(biāo)準(zhǔn)低得多的比特速率提供高品質(zhì)的圖像質(zhì)量，在復(fù)雜性方面也不會有太大的提高。另外一個目標(biāo)是讓標(biāo)準(zhǔn)具有足夠的靈活性，以適應(yīng)各種應(yīng)用場合(包括低比特率和高比特率以及低分辨率和高分辨率視頻)，并能在各種網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)上良好地工作。還有另外一些壓縮標(biāo)準(zhǔn)(如JPEG2000)，它們采用基于小波算法的狀態(tài)技術(shù)。

視頻發(fā)送

壓縮后的視頻可以在廣播室內(nèi)用ASI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行短距離的傳送。業(yè)界的趨勢是使用IP視頻技術(shù)長距離發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。Altera公司提供的IP視頻參考設(shè)計具有在IP網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送MPEG-2傳輸流(TS)的功能。該參考設(shè)計將一個或一個以上的壓縮視頻流橋接到100Mbps或1Gbps以太網(wǎng)上的IP包。同時，Altera還提供了ASI編碼和譯碼參考設(shè)計。數(shù)字視頻廣播異步串口(DVB-ASI)是一種串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，用于在銅纜或光纖網(wǎng)絡(luò)上傳送MPEG-2數(shù)據(jù)包。

視頻縮放和去隔行

創(chuàng)作室和前端設(shè)備通常需要為標(biāo)清與高清之間相互轉(zhuǎn)換等應(yīng)用執(zhí)行視頻縮放和去隔行。其它應(yīng)用還包括用于邊緣檢測處理的濾波器、垂直運(yùn)動濾波器和場間運(yùn)動濾波器等。

對許多專業(yè)影視室來說，最常見的要求之一是使用單個或多個顯示器設(shè)備顯示各種標(biāo)準(zhǔn)的SDTV或HDTV信號。利用遙控功能方便地在這些不同的視頻源之間切換對創(chuàng)建專業(yè)、易用的系統(tǒng)來說至關(guān)重要，因此視頻縮放和去隔行對視頻切換設(shè)備/路由器(swticher/router)來說是很重要的，它能讓切換設(shè)備/路由器處理不同類型的視頻分辨率，方便進(jìn)行視頻切換、路由和本地顯示。

色度空間轉(zhuǎn)換和視頻格式

由于廣播商必須根據(jù)最終用戶所處的不同地理位置提供不同的視頻格式，因此廣播創(chuàng)作室必須能夠完成不同的色度空間和視頻格式之間的轉(zhuǎn)換。顏色一般用不同的色度空間域(color space domain)表示，每個空間域根據(jù)系統(tǒng)要求關(guān)聯(lián)到不同的應(yīng)用。顏色信息由兩個獨(dú)立的色度信號Cb和Cr決定，這兩個信號還是第三個信號-亮度或照度信號Y的函數(shù)。RGB色度空間則由三個顏色分量-紅、綠和藍(lán)決定。當(dāng)在使用不同色度空間模型的器件之間傳送數(shù)據(jù)時，就需要進(jìn)行色度空間轉(zhuǎn)換。例如，將電視圖像傳送給計算機(jī)顯示器，就需要將圖像從YCbCr色度空間模型轉(zhuǎn)換到RGB色度空間。相反，將圖像從計算機(jī)顯示器傳送到電視機(jī)時就要求從RGB色度空間轉(zhuǎn)換成YCbCr色度空間。Altera公司的色度空間轉(zhuǎn)換器MegaCore功能就可以用來在各種應(yīng)用場合下實現(xiàn)這些顏色轉(zhuǎn)換。

視頻和圖像處理系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)可以選擇標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC、ASSP和可編程解決方案，如DSP或媒體處理器和FPGA。每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，最終取決于最終設(shè)備要求和解決方案的可用性。從上面討論的趨勢來看，理想架構(gòu)需要具有以下一些特征：高性能、靈活性、易升級、低開發(fā)成本，以及隨著應(yīng)用的成熟和用量的增加，成本逐漸降低。

1. 高性能

性能不僅涉及壓縮，而且與預(yù)處理和后處理功能有關(guān)。在許多實際應(yīng)用中這些功能都比壓縮算法本身占用更多的資源。這些功能包括縮放、去隔行、濾波和色度空間轉(zhuǎn)換。廣播市場對高性能的需求排除了只有處理器的架構(gòu)方案，因為它們無法依靠單個器件滿足性能要求。工作頻率達(dá)1GHz的最先進(jìn)DSP也無法完成H.264高清圖像解碼，而H.264高清編碼的復(fù)雜度比解碼要高出約10倍。FPGA是唯一可以解決這個問題的可編程解決方案。在某些情況下，最佳解決方案是FPGA和外部DSP處理器的組合。

2. 靈活性可以加快上市時間，方便升級

在技術(shù)飛速發(fā)展的同時，架構(gòu)必須具有相當(dāng)大的靈活性和易升級能力。由于標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC和ASSP都沒有這方面的特性，因此不能滿足這種用途。通常針對批量非常大的消費(fèi)類市場設(shè)計的ASSP很快會過時，因此對大多數(shù)應(yīng)用來說使用ASSP的風(fēng)險太大。