利用平臺(tái)FPGA器件進(jìn)行多媒體、視頻和圖像應(yīng)用設(shè)計(jì)

當(dāng)今生活的時(shí)代，多媒體通信的出現(xiàn)和流行是大勢(shì)所趨。隨著數(shù)字電視(DTV)、IP視頻傳輸、數(shù)字相機(jī)、無線視頻、醫(yī)療圖像和視頻監(jiān)控等應(yīng)用的興起，目前提供音頻和數(shù)據(jù)服務(wù)的許多系統(tǒng)都會(huì)隨實(shí)時(shí)視頻技術(shù)的應(yīng)用而有不同程度的擴(kuò)展。在最近的技術(shù)發(fā)展表明，芯片邏輯門密度和嵌入式功能的極大提高為多媒體處理設(shè)計(jì)提供了激動(dòng)人心的設(shè)計(jì)可能性。同時(shí)，還可以利用可重配置芯片所提供的額外靈活性來提供具有吸引力的解決方案。本文中，我們將考察多媒體系統(tǒng)的要求以及多媒體處理所需要的一些基本構(gòu)建模塊。然后，我們將討論將實(shí)時(shí)視頻應(yīng)用的抽象描述轉(zhuǎn)換為采用FPGA技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)所需要的設(shè)計(jì)流程。最后，我們將考察新興壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000和MPEG-4的需求。在多媒體處理解決方案領(lǐng)域，FPGA技術(shù)能夠以合適的價(jià)位點(diǎn)提供實(shí)現(xiàn)下一代多媒體算法所需要的帶寬、設(shè)計(jì)工具和芯片，從而滿足多媒體設(shè)計(jì)人員的要求。

多媒體通信

由于新興壓縮和通信技術(shù)的快速應(yīng)用，對(duì)多媒體通信的需求每年都在提高。這些技術(shù)大部分都被ISO、ITU、SMTPte和IEEE等標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)所采納。多媒體壓縮對(duì)于有效地使用可用的存儲(chǔ)和帶寬資源非常關(guān)鍵。ISO MPEG和J

PEG工作組和ITU一起開發(fā)了可滿足音頻、視頻和系統(tǒng)壓縮需求的標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)最近完成的標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000 和 AVC (高級(jí)視頻編碼解碼器， MPEG-4 Part 10/H.264)標(biāo)準(zhǔn)，提供了前所未有的性能水平，但密集的計(jì)算需求比較有利于FPGA技術(shù)，而不是傳統(tǒng)基于處理器的解決方案。

這些壓縮標(biāo)準(zhǔn)致力于滿足范圍廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，并按運(yùn)算的類(profile)和級(jí)(level)來劃分。類定義了編碼解碼器中所使用的標(biāo)準(zhǔn)算法功能集合。級(jí)則定義了特定類中的參數(shù)選擇集合，如幀大小和速率。這些標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的多樣化市場(chǎng)包括數(shù)字視頻廣播、IP多媒體傳輸、無線多媒體傳輸、視頻監(jiān)控、醫(yī)療圖像和數(shù)碼相機(jī)。這些市場(chǎng)在采集、計(jì)算和顯示方面有著非常不同的要求。

壓縮芯片市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2006年時(shí)將從目前的15億美元增長(zhǎng)到28億美元。這一發(fā)展趨勢(shì)與1990年代音頻無線應(yīng)用大變革時(shí)的情況類似。今天的許多系統(tǒng)都提供音頻和數(shù)據(jù)服務(wù)，我們?cè)谖闹袑⒖疾煲曨l服務(wù)的興起，以及新帶來的計(jì)算需求挑戰(zhàn)。

多媒體系統(tǒng)的要求

多媒體系統(tǒng)的要求高度依賴于最終應(yīng)用。例如，視頻點(diǎn)播(VOD)對(duì)延遲的要求相對(duì)較高，而視頻會(huì)議則對(duì)延遲有精確的高要求。視頻監(jiān)控在延遲方面的要求則介于在這兩個(gè)極端之間。實(shí)時(shí)多媒體系統(tǒng)可能需要也可能不需要實(shí)時(shí)編碼。MPEG標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)主要著眼于降低解碼器的復(fù)雜性，以提供成本經(jīng)濟(jì)的方案。相對(duì)而言，MPEG編碼器的復(fù)雜程度是MPEG解碼器的10倍左右。不需要實(shí)時(shí)效果的應(yīng)用，如視頻點(diǎn)播可以采用兩步算法進(jìn)行離線編碼以獲得最佳的效果。視頻監(jiān)控和視頻會(huì)議則是需要實(shí)時(shí)編碼的例子。在針對(duì)多媒體壓縮的標(biāo)準(zhǔn)中，解碼器功能規(guī)定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)兼容性規(guī)則，而編碼器相對(duì)則自由多了。換句話來說，視頻編碼器只要能夠生成符合標(biāo)準(zhǔn)的正確位流就可以，而兼容解碼器則必須能夠解釋標(biāo)準(zhǔn)定義的特定類和級(jí)中所允許的任何正確位流。

圖像數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)要求與壓縮視頻傳輸?shù)囊蠼^緣不同。ISO JPEG工作組通常以壓縮比率來衡量不同的壓縮方案，而ISO MPEG通常采用固定位速率做為衡量參數(shù)。只要我們談到多媒體通信，這些系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中都需要通信信道能夠保證固定的位速率。這導(dǎo)致一個(gè)問題，因?yàn)閴嚎s比率是序列相關(guān)的，因此為了獲得可接受的結(jié)果，必須在質(zhì)量方面有所折衷。很明顯，在編碼器方面如果嚴(yán)格遵循固定位速率生成數(shù)據(jù)位流，那么就會(huì)導(dǎo)致幀之間質(zhì)量的變化，有時(shí)可能會(huì)變得無法接受。這一問題可以通過下面的方法來減輕，在類編碼器的后面指定一個(gè)緩沖存儲(chǔ)區(qū)，這樣就可允許編碼器以可變數(shù)據(jù)速率填充緩沖區(qū)，而通信信道則可以以固定速率讀取并清空緩沖區(qū)。這意味著多媒體壓縮系統(tǒng)需要存儲(chǔ)器。為了提高或增強(qiáng)質(zhì)量所需要的額外預(yù)處理和后處理也提高了對(duì)存儲(chǔ)器的需求。例如，在MPEG-4編碼器的情況下，典型情況下需要3~10 MB的存儲(chǔ)器，而解碼器只需要1~3 MB。

對(duì)任何系統(tǒng)來說，一個(gè)主要的要求是為達(dá)到實(shí)時(shí)操作而需要的每秒運(yùn)算次數(shù)。對(duì)于多媒體壓縮來說，這確實(shí)是一個(gè)需要量化的具有挑戰(zhàn)性的數(shù)字。由于工作點(diǎn)很多，計(jì)算所需要的MOPS數(shù)值可能很大。圖1 給出了幾個(gè)MPEG-4類以及達(dá)到這些工作點(diǎn)所需要的相對(duì)MOPS數(shù)值，其中一級(jí)簡(jiǎn)單類歸一化值為1。一個(gè)分辨率為640x480、每秒30幀的JPLEG2000視頻監(jiān)控應(yīng)用視頻流大約需要4200 MOPS，而分辨率為1024x1024、 每秒 60幀的醫(yī)療圖像無失真碼流在采用JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)編碼時(shí)則需要29000 MOPS。利用JPEG200

0標(biāo)準(zhǔn)的4096x2048分辨率24 幀每秒的數(shù)碼相機(jī)需要93000 MOPS。使問題更復(fù)雜的是，在整個(gè)視頻流運(yùn)算過程中，所需要的MOPS數(shù)值并不是固定值，而是依賴于圖像內(nèi)容的。在圖2中我們看到在視頻序列的播放過程中，峰值MOPS數(shù)值是需要確定的關(guān)鍵要求。

圖1 不同MPEG類編碼所需要的計(jì)算MOPS要求