FPGA在广播视频处理中的应用

    1.时机

    在世界范围内，广播视频系统的需求都在逐年显著增加，原因是以下的一些因素同时发生了作用：

• 可供观众选择的广播频道的增加。世界范围内，更多观众的选择从很少的几个频道发展到几百个频道。

• 有线电视和卫星电视传送网的发展。而互联网广播的发展更使我们进入了“百万频道”的时代。

• 用于信息交流，培训和安全保卫的公司内部和小范围的小型广播视频应用的发展。在娱乐业界也有了长足的发展，例如饭店视频点播、超大屏幕电子显示屏等。

• 延时视频播放、准视频点播大大增加了用户使用的方便程度，使用户需要更多的频道。

• 当今，大尺寸屏幕电视由普通电视向高清晰电视发展，导致我们需要安装更多的广播设备。

• 视频所包含内容快速增加。附加的特技效果、多视窗、字幕叠加、重播等功能需要更高性能的广播设备。

• 视频资源的丰富。与以前只有在特别的演播室制作和重大事件的报道相比，现在可在每个社区和商家制作。视频资源的数量飞快增长，出现了一个全新的低端广播设备市场。

• 快速地向数字电视转换，导致更换老旧的模拟信号系统 。

• 由于数字电视革命的发生，在各种数字信号规格之间进行视频编码转换的需求很强，这导致了需要添加广播设备，包括：

• 基本规格：非压缩、时间压缩、MPEG2、MPEG4、H.264压缩、Windows Media9、Real Networks等；

• 图像尺寸：标准画质（SD）、高画质720P、高画质1080P；

• 传输/封装规格：ATSC/DVB、SDI、IP等；

• 音频规格：AES3等；

• 国际规格：NTSC、PAL；

• 设备接口：1394火线接口、DVI接口、GigE Ethernet接口；

    上面所发生的这些最新的变化使功能强大的广播视频设备成为必需。广播设备需要更强的处理功能、更多的输出频道、更多的输出规格等更广的应用范围。

本论文论述了一个将满足未来需要的全新的产品平台。这一平台的产品成本和开发成本将比现有的系统低。

2.视频系统平台

    首先，让我们调查一些现今使用的视频广播系统和视频平台。一般来讲，用于视频制作和发行的基本处理有以下一些方面：

    内容制作：摄像机制作和电脑制作；编辑/图像叠加/图像混合；特技效果；视频画质增强；视频信号格式转换；视频存储。

    视频的提取和发布：视频提取规格转换；插入节目信息和广告；广播视频规格转换；发行：普通、延时播放、视频点播。

    今天，用于完成以上视频功能的平台可大致分为以下几种类型：

2.1 内容制作平台

    因为内容制作平台是非实时系统，所以并无很高的性能要求，即使处理时间大于实际时间也没问题。因此，一般的电脑和工作站就可胜任。通常，这些平台会和视频加速板一起使用，但这个加速板只是为了提高视频制作人员的工作效率，而不是为了实时处理的需求。

2.2 视频提取和发布平台

    视频提取和发布平台必须和视频广播同步，所有的处理必须在视频广播的线频和帧频内完成，所以有绝对的高性能要求。可靠性也是这些处理的必然要求。

    为了达到这些要求，大多数现今使用的视频提取和发布平台是建立在厂家的专业广播平台之上的。这一平台由建立于专业设备中的若干特殊功能的模块组成。

    一些厂家已经开始使用低成本的个人电脑进行实时视频处理，但这只是局限于处理一些有限的外围功能，而且没有成为视频提取和发布系统的主流。

    事实已经非常清楚，基于个人电脑的平台将在视频提取和发布系统中逐步发挥越来越大的作用。由于以下原因，这些平台将有广阔的应用前景：

• 大容量处理带来的突出的性能价格比；

• 可用于不同应用软件厂家的标准平台，更好的功能，更低的成本；

• 更高的性能价格比和更多的功能；

3.个人电脑的长处和局限

    个人电脑的能力不断得到提高，现已达到可实时处理单视频流、压缩单视频流，并将其存储在硬盘上，进行解压并播放标准画质流。尽管如此，个人电脑的带宽远远不能够处理许多非压缩视频流的视频处理、末端视频发布的处理、实况转播处理和其他高画质的视频处理。

    目前，进行非压缩视频处理的难点在于解决来自各厂家的无数的专业处理板的矛盾。这些专业处理板能够完成它们某种特定的功能，但不能灵活地增加新功能，而当你需要多个功能时，你需要对不同厂家完全不同的处理板进行协调。

    市场需要的是一种具有灵活性的，在一台个人电脑上可处理非压缩视频的平台。它能够提供像高端系统的专业设备所具有的处理威力和低端个人电脑系统具有的低价格。

4.视频处理中的FPGA

    由Altera或其他公司生产的FPGA（现场可编程门阵列）是一种成长非常快的半导体芯片。在过去10年里，这些芯片被广泛使用并不断提高自身的性能，现在拥有20亿美元的市场并广泛应用于通信、军事和广播器材等领域。  

    FPGA芯片具有提供可编程软件的能力和专业硬件的处理性能。在视频应用中，FPGA芯片可以在个人电脑平台上提供高达10～100倍的处理能力，而且当用户需要更改系统的功能时，只需重新下载一个文件以修改用户的硬件配置，1秒钟就可完成用户的硬件升级。

    虽然FPGA技术早已被应用于广播视频业界，但到目前为止，这类应用大多局限于专业平台上的特定功能，只有很少的应用于个人电脑PCI板上的特定功能。

    尽管如此，近年来FPGA的处理能力还是得到了迅猛地发展。现在已经进化到了一个芯片可执行一个板的功能，或者说一个芯片可执行一个系统的功能（SoC）的地步。因为在一块PCI板上可安装多个FPGA芯片，这就使在一块板上开发一个等同于一台专业设备的完整系统成为可能。

    另外，在现有的技术下，标准的视频处理功能模块可以被下载到一个新型的高处理能力的FPGA芯片中。这些模块就如同组成一个专业设备中的多个功能模块。也就是说，现在的一个芯片就可以包含整个系统，而不需要像以前一样由一台专业设备来实现。

    这一开发方式较之开发专业设备系统有如下优越性：低得多的开发成本；低得多的系统成本；用户设计和升级极其方便；可直接使用个人电脑平台的应用软件。

5.开发“个人电脑+FPGA”平台

    当使用“个人电脑+FPGA”算法设计视频系统时，最重要的是决定哪些处理在FPGA中运行，哪些处理在个人电脑上运行。一般来讲，最佳的系统设计是所有的高速数据流通过FPGA，而不通过个人电脑。个人电脑可用于数据流管理和一些比较低的数据输出功能，例如插入叠加数据。

    以下类型的处理适于通过FPGA得到最佳性能：视频混合/叠加；同步压缩/解压；数据格式的转换/转码；多频道同时输出系统的IP、DVB/ATSC规格封包/流处理；视频提取、解压、多频道广播；视频增强：减噪、色像稳定、分辨率增强等；视频、音频和其他数据流处理。

    基于一个FPGA芯片的板可处理合计高达500MB的带宽（相当于一个高画质非压缩数据流或4个标准画质非压缩数据流）。

    如果用户需要，一台个人电脑可携带多块处理板，一台塔式rack-mount服务器可包含多台个人电脑。

    这一设计方法应用十分广泛，从可处理几个SDI数据流的小型个人电脑直到处理上百个数据流的塔式服务器都可胜任。

6.“个人电脑+FPGA”平台的应用

    使用以上“个人电脑+FPGA”平台的算法，对于以下类型的应用可提供低成本、高效率的解决方案：局部网、娱乐、万维网、有线电视的视频点播服务器；定时重播服务器；延时；体育节目和其他节目的视频实况制作；ATSC/DVB 数据广播；社区服务系统、当地新闻/天气预报、有线网上购物；互联网的合作交流频道；多频道卫星接受设备；节目制作和插入广告设备；区域性视频发布系统。

7.介绍： Tsunami板上视频平台

    Avvida 公司的Tsunami PCI板和Wave开发工具包可使用户快速开发并量产他们的产品。

    Tsunami广播处理板包括：最多达6个SDI接口；最多达5个FPGA芯片，每个芯片拥有4个高速内存，能够实现多种视频处理功能；通过PCI总线与个人电脑的高带宽内存存取；一个数字视频输入接口，从个人电脑到Tsunami广播板的传送速率可达300Mbps。

    Avvida 公司可提供如下的视频处理功能模块：SDI RAW视频格式和4∶4∶2、YUV、YcrCb、其他同步压缩格式之间的格式转换；4∶4∶4到4∶4∶2格式的抽样；色彩空间转换：RGB格式到YUV格式；视频和音频的叠加和混合；SDI输入/输出处理和误码检测（EDH）的插入和提取；同步锁相；MPEG2、MPEG4和其他的压缩/解压规格；SDI输入信号存盘；存储内容重播；其他。

8.总结

    对更强处理能力的数字视频广播系统的需求正在快速增长，这对一种应用前景广阔的系统既是一种新的挑战，也是一个新的机会。一台装配了Avvida 公司强大威力的Tsunami FPGA PCI处理板的标准个人电脑能够有效地满足市场的需求。处理板所附加的基于FPGA的视频处理功能模块可为用户带来更低开发成本和更短的投放市场时间。