采用FPGA实现广播基础设施-BroadcastVid

白皮书采用FPGA实现广播基础设施2007年3月，1.2版1WP-BRDCST0306-1.2引言高清晰电视(HDTV)视频内容制作及其在带宽受限广播通道中的传送技术得到了迅速发展，推动了新的视频压缩标准和相关图像处理应用的进展。传统上，只有电缆和卫星运营商能够提供视频交付。现在，电信公司进入了这一领域，他们利用昀新的视频编码器/解码器(CODEC)和视频处理技术，通过以太网协议电视(IPTV)为消费者传送数字视频。视频和图像处理发展趋势以视频和图像处理为核心的HDTV和数字影院等创新技术的进展非常迅速，其推动力量在于图像采集和显示分辨率、高级压缩方法以及视频智能的跨越式发展。广播设备的分辨率在过去几年中有了明显提高，如表1所示。高级压缩方法逐步替代了以前的技术，在保持一定质量的前提下，具有更好的数据流性能和压缩比，而且延迟更低。JPEG2000在存储和数字影院领域也得到了大量应用。虽然这些新压缩方案逐步开始应用，标准委员会仍然在不断改进H.264和JPEG2000标准。过去10年中，数字电视广播行业在标准清晰电视(SDTV)上一直采用MPEG-2标准。H.264-AVC(MPEG4-Part10)和微软版VC1将昀终替代MPEG-2，成为SDTV和HDTV的视频编码方案。广播设备生产商必须提供各种编码标准以满足目前和今后的需求。除了各种核心视频CODEC设施外，还需要不同类型的视频预处理和后处理算法来提高客户端的图像质量。随着分辨率和压缩比的提高，不但要提高性能，而且还需要非常灵活的体系结构，以便能够迅速进行更新。此外，由于技术的成熟以及产量的提高，也很有必要进一步降低成本。可编程逻辑器件(PLD)为这些需求提供了解决方案，在新兴的数字视频广播基础设施建设中扮演了重要角色。视频内容制作视频广播链首先是专业数字视频摄像，采集视频和音频内容，视频可以是SD或者HD。数字摄像机一般带有移动图像和电视工程师协会(SMPTE)定义的串行数据接口(SDI)输出。SDI是速率为270Mbps(SD)、1.485Gbps(HD)或者2.97Gbps(1080pHD)的未压缩视频流。Altera的Stratix®IIGXFPGA利用其集成的串化器/解串器(SERDES)和时钟/数据恢复(CDR)功能，处理摄像机SDI输出视频流。视频预处理和后处理北美广播行业使用的电视传输NTSC标准具有每通道固定的6MHz带宽(欧洲和世界上其他地方使用8MHzPAL标准)。在数字电视出现之前便确立了这一带宽限制。这种模拟带宽限制影响了目前的数字电视(DTV)传输规范。而数字视频质量优于以前的模拟视频。数字分辨率越高，传输视频数据所需的带宽就越大。实现高质量视频总是要求对视频源进行预处理。如果在数字域通过各种视频压缩方法来限制带宽，那么解码后的视频流在显示时会有不同的质量表现。由于基于模块的CODEC采用了DCT，提高视频压缩比会产生马赛克噪声和假像。视频预处理和后处理简化了编码器对视频的压缩过程，进一步提高了图像质量，降低了带宽要求。这种功能对于有线和卫星以及表1.广播终端设备的分辨率终端设备分辨率HDTV1920x1080象素数字影院4096x1714象素采用FPGA实现广播视频基础设施Altera公司2IPTV广播业务模型非常重要，这些模型要求在较低的带宽范围内实现较高的图像质量。预处理可以采用2D滤波来平滑进入编码器之前的高频分量，以降低马赛克噪声。Altera的视频和图像处理包含有2D有限冲击响应(FIR)和中值滤波功能，使用3x3、5x5或者7x7常系数矩阵，是进行2DFIR滤波灵活有效的手段。因此，在带宽受限的环境中，预处理和后处理是提高视频压缩性能的关键所在。视频压缩在下一阶段，压缩经过预处理的原始视频数据，然后传送至昀终用户。目前有从MPEG1到MPEG4的各种压缩标准，采用了4种压缩方法：DCT、矢量量化(VQ)、分形压缩和离散小波变换(DWT)。表2总结了各种MPEG标准。MPEG-2是世界上主要的DTV标准，数字有线、卫星和地面广播采用该标准。广播行业趋向于采用更多的HD内容，传输带宽面临更大的压力来适应带宽已经规定好的模拟频带。随着IPTV逐步在传统电信有线系统中进行传输，MPEG-2显然不是昀经济合理的视频节目传输方式。ITU-T视频编码专家组(VCEG)和ISO/IEC移动图像专家组(MPEG)引入了MPEG4-Part10(也称为H.264)标准。H.264采用比以前标准更低的速率提供高质量视频，而且没有增加复杂度，实现了以前无法做到(非常昂贵)的设计。另一目的是在各种应用(较低、较高的比特率以及低分辨率和高分辨率视频)中实现非常灵活的标准，适合不同的网络和系统。利用StratixIIFPGA，Altera的知识产权合作伙伴ATEME为广播行业推出了业界首款单芯片SDH.264基本质量编码器(图1)。图1.StratixII单芯片H.264编码器结构图还有JPEG2000等其他压缩标准，这些标准使用了基于小波技术的状态法。体系结构应有助于实现便携式数字摄像机、视频存储以及高级医疗成像等应用。视频分配压缩后的视频可以利用ASI标准在广播演播室内进行短距离传送和分配。行业发展趋势是采用IP承载视频网络，在较长距离上分配视频数据。Altera提供IP承载视频参考设计，演示通过IP网络来传输MPEG-2传送流(TS)数据。参考设计桥接了100Mbps和1Gbps以太网上的多个压缩视频流和IP包。还提供ASI表2.压缩标准标准标准数据速率应用MPEG-11.5MbpsCD-ROM使用的VCD，Level3是昀常用的MP3音频标准。MPEG-21.5Mbps至15Mbps有线、卫星和地面广播应用的DTVMPEG-40.5Mbps至40Mbps视频会议、监控和广播H.264Part10DDRFLASHVideoInSDIBT656AudioinserialMPEG-4AVCSDEncoderHOSTAUDIOCODECPCIStreamingDDRFLASHVideoInSDIBT656AudioinserialMPEG-4AVCSDEncoderHOSTAUDIOCODECPCIStreamingAltera公司采用FPGA实现广播视频基础设施3编码器和解码器参考设计。数字视频广播异步串行接口(DVB-ASI)是串行数字传输协议，通过铜缆或者光网络来传送MPEG-2数据包。视频缩放和去隔行视频演播和前端设备通常需要进行视频缩放和去隔行处理，例如SD和HD的相互转换等应用。其他应用包括边缘检测处理滤波、垂直移动滤波以及场内移动滤波等。许多专业演播的常见需求是使用一个或者多个显示设备来显示各种普通SDTV和HDTV信号。专业系统的关键在于通过远程控制来轻松实现不同信号源之间的控制切换。因此，视频切换/路由器必须具备视频缩放和去隔行功能，能够处理不同分辨率的视频切换、路由以及本地显示，如图2所示。图2.演播监视器颜色空间转换和视频格式由于广播行业采用的许多视频格式与昀终用户所处的位置有关，因此，广播演播功能必须能够在不同的颜色空间和视频格式之间进行转换。使用不同的颜色空间域来描述颜色，根据系统要求，每一空间域涉及到不同的应用类型。Cb和Cr这两种不同的色度信号决定了颜色信息，它们是亮度信号Y的函数。也可以由红绿蓝三原色来定义RGB颜色空间。在使用不同颜色空间模型的设备之间传送数据时需要进行颜色空间转换。例如，将电视图像传送至计算机监视器时，需要将图像从YCbCr颜色空间转换到RGB颜色空间。反之，将图像从计算机监视器传送给电视时则要从RGB颜色空间转换到YCbCr颜色空间。Altera®颜色空间转换器MegaCore®功能可以实现各种应用中的这类颜色转换。广播系统基础设施总体结构数字广播基础设施主要用于电视演播和移动图像视频内容的编辑制作。制作处理接口采用SDI将原始视频传送至存储设备或者非线性编辑设备(NLE)，进行视频编辑和特征增强处理。在编码处理过程中，使用MPEG-2、JPEG2000或者H.264压缩经过编辑的视频，然后通过有线、卫星、地面设备或者昀新的IPTV网络传送至昀终用户。图3所示为广播基础实施的高级结构。MPEG2EncoderH.264EncoderDigitalStorageDVDPlayerSDIInputsVideoSwitcherRouterScaler/De-InterlacingToOtherVideoSinksVideoMonitor1VideoMonitors采用FPGA实现广播视频基础设施Altera公司4图3.广播基础设施视频和图像处理系统体系结构系统体系结构选择包括标准单元ASIC、ASSP以及数字信号处理(DSP)或者媒体处理器和FPGA等可编程解决方案。这些方案都有各自的优缺点，昀终选用方案取决于终端设备需求以及方案的可行性。考虑到上面讨论的发展趋势，理想的体系结构应具有以下特点：高性能、灵活性、方便更新、低开发成本，随着应用的成熟和产量的提高，能够提供低成本移植途径等。高性能不仅压缩需要提高性能，预处理和后处理功能同样需要提高性能。在很多情况下，这些功能要比压缩算法本身对性能的影响更大。这类功能的例子包括缩放、去隔行、滤波和颜色空间转换等。广播市场对高性能的要求排除了单处理器体系结构，因为单个器件难以达到性能要求。目前昀好的1GHzDSP还无法实现H.264HD解码，而H.264HD编码要比解码复杂10倍。FPGA是唯一能够解决这种问题的可编程解决方案。在某些情况下，昀好的方案是结合FPGA和外部DSP处理器。灵活性使产品快速面市，方便进行产品更新随着技术的迅速发展，体系结构必须足够灵活，能够方便地进行更新。这些要求排除了在具体应用中选用标准单元ASIC和ASSP。ASSP一般用于大批量消费类市场，产品很快会过时，对于大部分应用而言，选用这种方案的风险很大。低开发成本考虑到掩模、晶片、软件、设计验证和布板等成本，典型90nm标准单元ASIC的开发成本会高达3千万美金。只有产量非常大的消费类市场能够支撑如此高的开发成本。降低产品成本的移植途径随着标准的稳定和产量的增加，应该过渡到低成本方案。这通常意味着使用面向市场的ASSP或者标准单元定制ASIC器件。然而，定制芯片的成本在不断攀升，使得这些解决方案只有在大批量消费类应用中才有较好的经济性。大部分视频和图像应用芯片公司主要关注视频摄像机、机顶盒、数码相机、移动电话等便携式产品或者LCD电视和监视器等应用。因此，对于小批量应用，昀好考虑FPGA，它和ASSP不同，ASSP可能非常切合功能需求，但是当需求变化时，由于产品更新换代，目前昀好的解决方案可能是昀冒险的选择。Altera的视频和图像处理解决方案考虑到上面阐述的原因，FPGA非常适合视频和图像处理应用。AlteraFPGA具有以下列举的特性，是视频和图像处理体系结构的理想选择：SDICODECVIDEOPREPROCESSINGVIDEOCOM-PRESSIONVIDEOOVERIPMODULATORIPNetworksIPTVTerrestrialSatelliteCableDistributionFPGASDICODECVIDEOPREPROCESSINGVIDEOCOM-PRESSIONVIDEOOVERIPMODULATORCreationEncodingSDICODECVideoPre-ProcessingVideoCompressionVideoOverIPModulatorFPGAAltera公司采用FPGA实现广播视频基础设施5•高性能：可以在一片AlteraFPGA中完成HD处理功能。•灵活性：AlteraFPGA能够迅速更新体系结构，满足不断发展的需求，同时在低成本和高性能系统中灵活地应用FPGA。•低开发成本：Altera的视频开发套件起价只有1,095美元，包括使用AlteraFPGA来开发视频系统所需要的软件工具。•不会过时：AlteraFPGA拥有