引言

　　服務(wù)器、交換機(jī)、前端編碼器以及專(zhuān)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(zhuān)用ASSP 雖然滿(mǎn)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(mǎn)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(lèi)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(lèi)電子芯片生產(chǎn)商收購(gòu)，為消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)提供視頻處理專(zhuān)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(kāi)發(fā)了本白皮書(shū)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(kāi)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(kāi)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(hù)。

　　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(kāi)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(kāi)銷(xiāo)開(kāi)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(kāi)發(fā)套件

　　Altera 為視頻處理開(kāi)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(kāi)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。可以把這些視頻功能結(jié)合在一起，開(kāi)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(kāi)發(fā)的圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

　　首先由同步視頻輸入MegaCore 功能來(lái)處理SDI 視頻數(shù)據(jù)。該功能將同步視頻格式數(shù)據(jù)（ 例如， BT656 或者DVI） 轉(zhuǎn)換為流控制Avalon 流（Avalon-ST） 視頻協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)通路后面其他視頻處理功能的鏈接。

　　采用高質(zhì)量視頻處理數(shù)據(jù)通路來(lái)處理第一個(gè)視頻通道。對(duì)每一輸入視頻圖像（ 這個(gè)例子中是NTSC） 場(chǎng)的前三行進(jìn)行剪輯，輸出720x240 圖像。剪輯后的視頻數(shù)據(jù)在從YcbCr 顏色空間轉(zhuǎn)換為RGB 之前，經(jīng)過(guò)色度上采樣，轉(zhuǎn)換為YCbCr 4:4：4 格式。色度上采樣功能使用具有固定Lanczos-2 系數(shù)的4 抽頭濾波器。顏色空間轉(zhuǎn)換器也采用了取整（ 向上半數(shù)取整） 算法，輸出8 位位寬數(shù)據(jù)。

　　然后，將視頻傳送至去隔行功能模塊。由于運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)算法要求輸入顏色通道具有相同的采樣率，因此，在進(jìn)行去隔行處理之前，先進(jìn)行色度上采樣。（ 今后的去隔行IP 將支持4:2：2 模式的視頻處理功能）。去隔行器經(jīng)過(guò)配置后，能夠同時(shí)接收逐行和隔行視頻。當(dāng)輸入視頻是隔行格式時(shí)，運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)算法產(chǎn)生逐行格式的視頻流。當(dāng)輸入視頻是逐行格式時(shí)，去隔行器直接輸出數(shù)據(jù)，不對(duì)其進(jìn)行處理。當(dāng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行處理時(shí)，數(shù)據(jù)在外部存儲(chǔ)器中進(jìn)行緩沖，完成基本幀速率轉(zhuǎn)換處理。

　　然后，通過(guò)參數(shù)賦值縮放器功能（ 具有12 個(gè)橫向和12 個(gè)縱向抽頭） 的多相算法對(duì)逐行視頻流進(jìn)行縮放。

　　采用Avalon 存儲(chǔ)器映射（Avalon-MM） 從機(jī)控制接口對(duì)縮放器進(jìn)行配置，支持縮放器輸出分辨率運(yùn)行時(shí)規(guī)范要求。此外，當(dāng)縮放比率變化時(shí)， Nios？ II 處理器上運(yùn)行的軟件計(jì)算并重新裝入合適的系數(shù)，從而提高了圖像質(zhì)量。最后，在將視頻流與背景測(cè)試碼型以及第二個(gè)視頻流混合之前，幀緩沖功能在外部存儲(chǔ)器中緩沖視頻數(shù)據(jù)。兩路視頻流輸入到合成器進(jìn)行縮放和同步，需要對(duì)突發(fā)數(shù)據(jù)流進(jìn)行平滑處理。

　　第二個(gè)通道處理質(zhì)量稍差，這樣可以提高視頻格式轉(zhuǎn)換的資源利用率。主要有兩種方法來(lái)處理兩路不同格式的視頻流：

　　■ 使用簡(jiǎn)單的最近鄰居縮放算法對(duì)第二個(gè)視頻流進(jìn)行縮放，需要較少的片內(nèi)存儲(chǔ)器和乘法器資源。

　　■ 使用場(chǎng)合并去隔行算法對(duì)第二個(gè)視頻流進(jìn)行去隔行處理，需要較少的邏輯資源和外部存儲(chǔ)器帶寬。

　　3 定制您的圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

　　Altera 視頻工作臺(tái)從根本上支持用戶(hù)定制設(shè)計(jì)。工作臺(tái)支持三級(jí)定制，非常靈活，如圖4 所示。在FPGA 領(lǐng)域，這種定制功能是前所未有的，采用ASSP 進(jìn)行設(shè)計(jì)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

　　圖4. Altera 視頻工作臺(tái)支持不同層面的定制功能

　　采用Altera 視頻工作臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用兩種創(chuàng)新技術(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行更新：

　　■ 數(shù)據(jù)包格式流接口——設(shè)計(jì)用于在功能模塊之間同時(shí)傳送視頻和控制數(shù)據(jù)包。

　　■ 算法功能模塊配置——可以配置為存儲(chǔ)器映射組件，通過(guò)寫(xiě)入相應(yīng)的控制寄存器，實(shí)時(shí)更新功能。

　　Avalon-ST 視頻協(xié)議是Altera 新的低開(kāi)銷(xiāo)流協(xié)議，提供面向數(shù)據(jù)包的方法來(lái)發(fā)送視頻和控制數(shù)據(jù)?？刂茢?shù)據(jù)包用于發(fā)送動(dòng)態(tài)參數(shù)，該參數(shù)描述流視頻幀格式。這些參數(shù)應(yīng)用于將要到達(dá)的下一視頻數(shù)據(jù)包，或者在編譯時(shí)設(shè)定，用在復(fù)位后接收到的第一個(gè)視頻數(shù)據(jù)包上。（ 表2 列出了控制數(shù)據(jù)包是怎樣提供下一幀信息的）。數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，視頻數(shù)據(jù)流中的嵌入式控制數(shù)據(jù)包支持采用新數(shù)據(jù)對(duì)視頻處理流水線進(jìn)行重新配置。

　　表2. 控制數(shù)據(jù)包支持對(duì)視頻流格式的動(dòng)態(tài)更新

　　除了通過(guò)流接口實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)更新， Altera 開(kāi)發(fā)的大部分視頻功能模塊都具有運(yùn)行時(shí)更新功能。這表明，這些模塊使用存儲(chǔ)器映射從機(jī)接口，支持對(duì)狀態(tài)機(jī)和片內(nèi)處理器的更新。每個(gè)從機(jī)接口支持對(duì)一組控制寄存器的訪問(wèn)。例如，可以使用片內(nèi)處理器，在運(yùn)行時(shí)更新這些控制寄存器。在新一幀的開(kāi)始，更新后的控制數(shù)據(jù)被裝入到IP 功能模塊中。這樣，您可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)更新圖像大小和縮放系數(shù)，改變縮放比。圖5 顯示了Altera 視頻工作臺(tái)多相縮放引擎是怎樣實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)控制的。

　　圖5. 更新縮放功能

　　為進(jìn)一步定制設(shè)計(jì)，您可以針對(duì)MegaCore 功能來(lái)修改參數(shù)。Altera 開(kāi)發(fā)的所有視頻功能都是可以進(jìn)行參數(shù)賦值的。如圖6 所示，利用去隔行器功能，您不但可以選擇去隔行算法，還可以選擇默認(rèn)場(chǎng)、直通模式、外部存儲(chǔ)器緩沖幀數(shù)量、輸出幀速率和運(yùn)動(dòng)控制補(bǔ)償?shù)人惴ā?/p>

　　圖6. 參數(shù)賦值硬件功能模塊

　　Avalon-ST 和Avalon-MM 接口標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放即插即用規(guī)范意味著您可以先進(jìn)行圖像格式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，然后，采用定制模塊來(lái)替換Altera 模塊。很多設(shè)計(jì)人員都有適合自己應(yīng)用的定制算法。為實(shí)現(xiàn)定制算法的簡(jiǎn)單集成，Altera 提供支持Avalon-ST 接口打包器的HDL 模板。打包器包括以下模塊：

　　■ VIP 控制數(shù)據(jù)包解碼器——從數(shù)據(jù)流中解碼VIP 控制數(shù)據(jù)包，將解碼后的數(shù)據(jù)（ 寬度、高度、隔行信息）作為單獨(dú)的信號(hào)發(fā)送給算法功能模塊。

　　■ VIP 控制數(shù)據(jù)包編碼器——根據(jù)接收到的寬度、高度和隔行信息對(duì)VIP 控制數(shù)據(jù)包編碼，將其插入到數(shù)據(jù)流中。

　　■ VIP 流控制打包器——圍繞用戶(hù)算法進(jìn)行打包處理，實(shí)現(xiàn) Avalon-ST 與簡(jiǎn)單讀寫(xiě)接口的流控制轉(zhuǎn)換。

　　■ 用戶(hù)算法內(nèi)核——HDL 模板在用戶(hù)算法模塊中提供了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)例。您可以采用自己的算法替代這一模塊。

　　圖7 所示為HDL 模板的高級(jí)結(jié)構(gòu)視圖。

　　圖7. Avalon 流HDL 模板

　　Algolith 作為Altera IP 合作伙伴，是視頻IP 領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)公司，采用了HDL 模板來(lái)評(píng)估其內(nèi)核。Algolith 開(kāi)始時(shí)采用Altera 參考設(shè)計(jì)進(jìn)行圖像格式轉(zhuǎn)換，然后使用自己的專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行器替代Altera 去隔行器，并提供給用戶(hù)，在硬件中進(jìn)行評(píng)估。同樣， Algolith 使用Altera 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)開(kāi)發(fā)了參考設(shè)計(jì)，幫助用戶(hù)評(píng)估他們的噪聲抑制IP。

　　4 結(jié)論

　　Altera 視頻工作臺(tái)為廣播基礎(chǔ)實(shí)施系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像格式轉(zhuǎn)換提供所有必須的關(guān)鍵功能。采用Altera 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)和圖像格式轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)， FPGA 設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用以前只有廣播ASSP 才能提供的功能，而且還具有靈活性和硬件定制等優(yōu)勢(shì)。