在FPGA中實(shí)現(xiàn)圖像格式轉(zhuǎn)換的參考設(shè)計(jì)

　　服務(wù)器、交換機(jī)、前端編碼器以及專用演播顯示器等廣播基礎(chǔ)設(shè)備系統(tǒng)支持各種輸入圖像格式，在存儲(chǔ)、編碼和顯示之前，通常需要將圖像轉(zhuǎn)換為高清晰（HD） 或者其他分辨率格式。專用ASSP 雖然滿足了這一市場(chǎng)需求，取得了一定的成功，但仍然面臨通過(guò)采用單芯片方案來(lái)滿足廣播設(shè)備供應(yīng)商各種特殊需求這一挑戰(zhàn)。例如，在交換機(jī)應(yīng)用中，總延時(shí)非常重要，延時(shí)是顯示和視頻會(huì)議系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，而圖像質(zhì)量是攝制后期設(shè)備最重要的指標(biāo)。除了這些特殊應(yīng)用需求，器件還必須能夠支持各種幀速率、分辨率和格式。

　　而且，這類設(shè)備的設(shè)計(jì)周期相對(duì)較短，當(dāng)需求變化時(shí)，設(shè)計(jì)人員沒(méi)有足夠的時(shí)間等待長(zhǎng)周期ASSP 重制的完成。結(jié)果，很多優(yōu)秀的視頻技術(shù)ASSP 供應(yīng)商在這一領(lǐng)域未能及時(shí)跟上市場(chǎng)的腳步，被消費(fèi)類電子芯片生產(chǎn)商收購(gòu)，為消費(fèi)類市場(chǎng)提供視頻處理專業(yè)技術(shù)。例如， Gennum （VXP）、Genesis、Silicon Optix 和LetIt Wave 分別被Sigma Designs、ST Micro、IDT 和Zoran 收購(gòu)。

　　在這一ASSP 行業(yè)合并和重新定位過(guò)程中， FPGA 視頻處理功能不斷增強(qiáng)，成為定制圖像格式轉(zhuǎn)換應(yīng)用的理想平臺(tái)。為支持加速實(shí)現(xiàn)FPGA 圖像格式轉(zhuǎn)換， Altera 開發(fā)了本白皮書介紹的1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員輕松開發(fā)定制圖像格式轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈。本文所討論的圖像格式轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)可以作為起點(diǎn)，適當(dāng)修改后用于定制視頻處理應(yīng)用開發(fā)。本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)硬件驗(yàn)證，可以提供給授權(quán)用戶。

　　1 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)

　　Altera 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)集成了各種工具和構(gòu)建模塊視頻功能，有助于加速定制圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。它包括以下組成：

　　■ 構(gòu)建模塊視頻知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP） 內(nèi)核

　　■ 格式轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)，展示FPGA 功能，提供設(shè)計(jì)起點(diǎn)。

　　■ 低開銷開放視頻接口，支持混合匹配定制或者商用IP 模塊。

　　■ 用于集成處理器和存儲(chǔ)器子系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具

　　■ 可迅速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)的各種視頻開發(fā)套件

　　Altera 為視頻處理開發(fā)了各種構(gòu)建模塊，即，視頻和圖像處理（VIP） 包（ 參見(jiàn)圖1）。在這一開發(fā)包的眾多功能中，縮放和去隔行是圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)最常用的功能。Altera 的VIP 包具有復(fù)雜的多相縮放引擎和去隔行功能，可以配置實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行功能。其他常用的功能包括色度重新采樣、顏色空間轉(zhuǎn)換以及幀速率轉(zhuǎn)換等，這些都含在VIP 包中?？梢园堰@些視頻功能結(jié)合在一起，開發(fā)定制視頻格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。

　　圖1. 視頻圖像處理（VIP） 包

　　這一視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)提供以前由ASSP 實(shí)現(xiàn)的功能，還具有定制設(shè)計(jì)并進(jìn)行更新的優(yōu)點(diǎn)（ 參見(jiàn)表1）。

　　表1. Altera 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)與廣播ASSP 的對(duì)比

　　2 圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

　　如圖2 所示，幾乎所有的演播系統(tǒng)，包括服務(wù)器、交換機(jī)、前端編碼器和面板等都需要進(jìn)行定制圖像格式轉(zhuǎn)換，這是非常適合可編程FPGA 體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。Altera 圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了隔行和逐行格式視頻標(biāo)準(zhǔn)清晰度（SD） 和HD 視頻流的高質(zhì)量上、下、交叉轉(zhuǎn)換。這一設(shè)計(jì)在硬件中進(jìn)行了驗(yàn)證，可以從當(dāng)?shù)谹ltera 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師（FAE） 那里獲得。

　　圖2. 典型演播系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖

　　圖3 所示的格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙通道視頻的圖像格式轉(zhuǎn)換。該設(shè)計(jì)包括兩路SDI 通道視頻，處理SD、HD 以及3G-SDI （ 全HD）。

　　圖3. Altera 采用視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)開發(fā)的圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)