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采用FPGA實(shí)現(xiàn)視頻和圖像處理設(shè)計(jì)

作者:Altera公司 Brian J. Jentz 時(shí)間:2008-10-20 來源:今日電子 收藏

視頻和圖像處理發(fā)展趨勢

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/88822.htm

  以視頻和圖像處理為核心的HDTV和數(shù)字影院等創(chuàng)新技術(shù)的進(jìn)展非常迅速,其推動(dòng)力量在于圖像采集和顯示分辨率、高級壓縮方法以及視頻智能的跨越式發(fā)展。

  在過去幾年中,分辨率的發(fā)展最為顯著,表1列出了不同終端設(shè)備上目前能夠達(dá)到的最高分辨率。從標(biāo)準(zhǔn)清晰度(SD)過渡到高清晰度(HD),需要處理的數(shù)據(jù)量提高了6倍。視頻監(jiān)控也從普通中間格式(CIF)(352×288)轉(zhuǎn)向標(biāo)準(zhǔn)要求的D1格式(704×576),某些工業(yè)攝像機(jī)甚至達(dá)到1280×720HD。軍事監(jiān)控、醫(yī)療成像和機(jī)器視覺也普遍采用了分辨率非常高的圖像。

  高級壓縮方法逐步替代了以前的技術(shù),在保持一定質(zhì)量的前提下,能具有更好的數(shù)據(jù)流性能和壓縮比,而且延遲更低。JPEG 2000作為數(shù)字電影的標(biāo)準(zhǔn),在軍事、醫(yī)療成像和監(jiān)控領(lǐng)域也得到了大量應(yīng)用。H.264將可能取代廣播電視應(yīng)用中的MPEG2,以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)的MPEG4 Part 2和用于視頻會議的H.263。在應(yīng)用這些新壓縮方案的同時(shí),H.264和JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)仍然在不斷改進(jìn)。

  DICOM醫(yī)療成像標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成了附件105,它包括JPEG 2000第2部分3D醫(yī)療成像壓縮多分量變換。附件106將包括JPIP協(xié)議,遠(yuǎn)程瀏覽使用JPEG 2000壓縮的醫(yī)療影像。

  MPEG 4 Part 10(H.264 AVC)的進(jìn)一步擴(kuò)展是可更新視頻編碼(SVC)技術(shù)。SVC在現(xiàn)有系統(tǒng)資源情況下,解決了不同網(wǎng)絡(luò)中向各種用戶可靠傳送視頻的編碼問題,特別是事先不知道下游客戶端容量、系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)狀況的時(shí)候。例如,客戶端會有不同的顯示分辨率,系統(tǒng)有不同的緩沖或者中間存儲資源,網(wǎng)絡(luò)帶寬、丟包率、最大努力服務(wù)質(zhì)量(QoS)等都在變化。聯(lián)合視頻開發(fā)組(JVT)擴(kuò)展了AVC/H.264,增強(qiáng)比特流的靈活性,提高壓縮效率,可以自由組合各種壓縮模式(如空域、時(shí)域和SNR/保真等)。具體應(yīng)用領(lǐng)域包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、移動(dòng)流視頻、無線多通道視頻產(chǎn)生和分配和多方視頻電話/會議等。

  另一快速發(fā)展的領(lǐng)域是視頻智能。相機(jī)已經(jīng)具有搖攝、俯仰、變焦、全景等拍攝功能,這些功能逐步由系統(tǒng)智能實(shí)現(xiàn)而不需要人為干預(yù)。移動(dòng)探測技術(shù)能夠更高效的利用硬盤存儲,它只捕獲高于移動(dòng)閾值的視頻幀。視頻目標(biāo)識別技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控追蹤,其效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工監(jiān)控。

  隨著分辨率和壓縮比的提高,不但要提高性能,還需要非常靈活的體系結(jié)構(gòu),以便能夠迅速進(jìn)行更新。隨著技術(shù)的成熟以及產(chǎn)量的提高,也很有必要進(jìn)一步降低成本。

視頻和圖像處理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

  系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的選擇包括標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC、ASSP以及數(shù)字信號處理器(DSP)或者媒體處理器和等可編程解決方案。這些方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),最終方案的選用取決于終端設(shè)備需求以及方案的可行性??紤]到上面討論的發(fā)展趨勢,理想的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有以下特點(diǎn):高性能、靈活性、方便更新、低開發(fā)成本,隨著應(yīng)用的成熟和產(chǎn)量的提高,能夠提供低成本移植途徑等。

1 高性能

  不僅壓縮需要提高性能,預(yù)處理和后處理功能同樣需要提高性能。事實(shí)上,在很多情況下,這些功能要比壓縮算法本身對性能的影響更大。這類功能的例子包括縮放、去隔行、濾波和顏色空間轉(zhuǎn)換等。

  在上面提到的市場領(lǐng)域中,對高性能的要求排除了單處理器體系結(jié)構(gòu),因?yàn)閱蝹€(gè)器件難以達(dá)到性能要求。目前最好的1GHz DSP還無法實(shí)現(xiàn)H.264 HD解碼,而H.264 HD編碼要比解碼復(fù)雜10倍。是唯一能夠解決這種問題的可編程解決方案。在某些情況下,最好的方案是結(jié)合和外部DSP。

2 靈活性使產(chǎn)品快速面市,方便進(jìn)行產(chǎn)品更新

  隨著技術(shù)的迅速發(fā)展,體系結(jié)構(gòu)必須足夠靈活,能夠方便地進(jìn)行更新。這些要求排除了在具體應(yīng)用中選用的標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC和ASSP。ASSP一般用于大批量消費(fèi)類市場,產(chǎn)品很快會過時(shí),對于大部分應(yīng)用而言,選用這種方案的風(fēng)險(xiǎn)很大。

3 低開發(fā)成本

  考慮到掩模、晶片、軟件、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和布板等成本,典型90nm標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC的開發(fā)成本會高達(dá)3千萬美元。只有產(chǎn)量非常大的消費(fèi)類市場能夠支撐如此高的開發(fā)成本。

4 降低芯片成本的移植途徑

  隨著標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定和產(chǎn)量的增加,應(yīng)該過渡到低成本方案。這通常意味著使用面向市場的ASSP或者標(biāo)準(zhǔn)單元定制ASIC器件。然而,定制芯片的成本在不斷攀升,使得這些解決方案只有在大批量消費(fèi)類應(yīng)用中才具有較好的經(jīng)濟(jì)性。大部分視頻和圖像應(yīng)用芯片公司主要關(guān)注視頻攝像機(jī)、機(jī)頂盒、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電話等便攜式產(chǎn)品或者LCD電視和監(jiān)視器等應(yīng)用。因此,對于小批量應(yīng)用,最好考慮FPGA,它和ASSP不同,ASSP可能非常切合功能需求,但是當(dāng)需求變化時(shí),由于產(chǎn)品更新?lián)Q代,目前最好的解決方案可能是最冒險(xiǎn)的選擇。

采用FPGA的視頻和圖像處理方案

  考慮到上面闡述的原因,F(xiàn)PGA非常適合視頻和圖像處理應(yīng)用。以Altera的FPGA為例,因其具有以下特性,非常適合視頻和圖像處理體系結(jié)構(gòu)。

● 高性能:可以在一片F(xiàn)PGA中完成HD處理功能。
● 靈活性:能夠迅速更新體系結(jié)構(gòu),滿足不斷發(fā)展的需求,同時(shí)在低成本和高性能系統(tǒng)中靈活地應(yīng)用FPGA。
● 低開發(fā)成本:Altera的視頻開發(fā)套件起價(jià)只有1095美元,含有開發(fā)視頻系統(tǒng)所需要的軟件工具。
● 不會過時(shí):擁有非常廣泛的客戶基礎(chǔ),產(chǎn)品從推出以來已經(jīng)發(fā)售了多年。而且,F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)很容易從一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)移植到下一節(jié)點(diǎn)。
● 低成本的結(jié)構(gòu)化ASIC移植途徑:Altera結(jié)構(gòu)化ASIC 1百萬ASIC邏輯門100ku起價(jià)為15美元。
● 其視頻和圖像處理方案:包括經(jīng)過優(yōu)化的DSP設(shè)計(jì)流程、視頻和圖像處理包、接口和第三方視頻壓縮IP以及視頻參考設(shè)計(jì)等。

 
圖1 實(shí)例設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖1所示為使用視頻和圖像處理包的典型視頻系統(tǒng)。

  可見,F(xiàn)PGA非常適合視頻和圖像處理應(yīng)用,如廣播基礎(chǔ)設(shè)備、醫(yī)療成像、HD視頻會議、視頻監(jiān)控和軍事成像等。以Altera FPGA的視頻和圖像處理方案為例,它包括經(jīng)過優(yōu)化的開發(fā)工具和開發(fā)套件、參考設(shè)計(jì)、視頻壓縮IP、接口和系統(tǒng)IP以及Altera的視頻和圖像處理IP包等。這些解決方案降低了大量視頻和圖像應(yīng)用的成本,提高了性能和效率。

 



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