采用FPGA实现视频和图像处理设计

视频和图像处理发展趋势

以视频和图像处理为核心的HDTV和数字影院等创新技术的进展非常迅速，其推动力量在于图像采集和显示分辨率、高级压缩方法以及视频智能的跨越式发展。

在过去几年中，分辨率的发展最为显著，表1列出了不同终端设备上目前能够达到的最高分辨率。
从标准清晰度(SD)过渡到高清晰度(HD)，需要处理的数据量提高了6倍。视频监控也从普通中间格式(CIF)(352×288)转向标准要求的D1格式(704×576)，某些工业摄像机甚至达到1280×720HD。军事监控、医疗成像和机器视觉也普遍采用了分辨率非常高的图像。

高级压缩方法逐步替代了以前的技术，在保持一定质量的前提下，能具有更好的数据流性能和压缩比，而且延迟更低。JPEG 2000作为数字电影的标准，在军事、医疗成像和监控领域也得到了大量应用。H.264将可能取代广播电视应用中的MPEG2，以及视频监控系统的MPEG4 Part 2和用于视频会议的H.263。在应用这些新压缩方案的同时，H.264和JPEG 2000标准仍然在不断改进。

DICOM医疗成像标准已经完成了附件105，它包括JPEG 2000第2部分3D医疗成像压缩多分量变换。附件106将包括JPIP协议，远程浏览使用JPEG 2000压缩的医疗影像。

MPEG 4 Part 10(H.264 AVC)的进一步扩展是可更新视频编码(SVC)技术。SVC在现有系统资源情况下，解决了不同网络中向各种用户可靠传送视频的编码问题，特别是事先不知道下游客户端容量、系统资源和网络状况的时候。例如，客户端会有不同的显示分辨率，系统有不同的缓冲或者中间存储资源，网络带宽、丢包率、最大努力服务质量(QoS)等都在变化。联合视频开发组(JVT)扩展了AVC/H.264，增强比特流的灵活性，提高压缩效率，可以自由组合各种压缩模式(如空域、时域和SNR/保真等)。具体应用领域包括视频监控系统、移动流视频、无线多通道视频产生和分配和多方视频电话/会议等。

另一快速发展的领域是视频智能。相机已经具有摇摄、俯仰、变焦、全景等拍摄功能，这些功能逐步由系统智能实现而不需要人为干预。移动探测技术能够更高效的利用硬盘存储，它只捕获高于移动阈值的视频帧。视频目标识别技术能够实现自动监控追踪，其效率要远远高于人工监控。

随着分辨率和压缩比的提高，不但要提高性能，还需要非常灵活的体系结构，以便能够迅速进行更新。随着技术的成熟以及产量的提高，也很有必要进一步降低成本。

视频和图像处理系统体系结构

系统体系结构的选择包括标准单元ASIC、ASSP以及数字信号处理器(DSP)或者媒体处理器和FPGA等可编程解决方案。这些方案都有各自的优缺点，最终方案的选用取决于终端设备需求以及方案的可行性。考虑到上面讨论的发展趋势，理想的体系结构应具有以下特点：高性能、灵活性、方便更新、低开发成本，随着应用的成熟和产量的提高，能够提供低成本移植途径等。

1 高性能

不仅压缩需要提高性能，预处理和后处理功能同样需要提高性能。事实上，在很多情况下，这些功能要比压缩算法本身对性能的影响更大。这类功能的例子包括缩放、去隔行、滤波和颜色空间转换等。

在上面提到的市场领域中，对高性能的要求排除了单处理器体系结构，因为单个器件难以达到性能要求。目前最好的1GHz DSP还无法实现H.264 HD解码，而H.264 HD编码要比解码复杂10倍。FPGA是唯一能够解决这种问题的可编程解决方案。在某些情况下，最好的方案是结合FPGA和外部DSP。

2 灵活性使产品快速面市，方便进行产品更新

随着技术的迅速发展，体系结构必须足够灵活，能够方便地进行更新。这些要求排除了在具体应用中选用的标准单元ASIC和ASSP。ASSP一般用于大批量消费类市场，产品很快会过时，对于大部分应用而言，选用这种方案的风险很大。

3 低开发成本

考虑到掩模、晶片、软件、设计验证和布板等成本，典型90nm标准单元ASIC的开发成本会高达3千万美元。只有产量非常大的消费类市场能够支撑如此高的开发成本。

4 降低芯片成本的移植途径

随着标准的稳定和产量的增加，应该过渡到低成本方案。这通常意味着使用面向市场的ASSP或者标准单元定制ASIC器件。然而，定制芯片的成本在不断攀升，使得这些解决方案只有在大批量消费类应用中才具有较好的经济性。大部分视频和图像应用芯片公司主要关注视频摄像机、机顶盒、数码相机、移动电话等便携式产品或者LCD电视和监视器等应用。因此，对于小批量应用，最好考虑FPGA，它和ASSP不同，ASSP可能非常切合功能需求，但是当需求变化时，由于产品更新换代，目前最好的解决方案可能是最冒险的选择。

采用FPGA的视频和图像处理方案

考虑到上面阐述的原因，FPGA非常适合视频和图像处理应用。以Altera的FPGA为例，因其具有以下特性，非常适合视频和图像处理体系结构。

● 高性能：可以在一片FPGA中完成HD处理功能。
● 灵活性：能够迅速更新体系结构，满足不断发展的需求，同时在低成本和高性能系统中灵活地应用FPGA。
● 低开发成本：Altera的视频开发套件起价只有1095美元，含有开发视频系统所需要的软件工具。
● 不会过时：拥有非常广泛的客户基础，产品从推出以来已经发售了多年。而且，FPGA设计很容易从一个工艺节点移植到下一节点。
● 低成本的结构化ASIC移植途径：Altera结构化ASIC 1百万ASIC逻辑门100ku起价为15美元。
● 其视频和图像处理方案：包括经过优化的DSP设计流程、视频和图像处理包、接口和第三方视频压缩IP以及视频参考设计等。

图1 实例设计结构图

图1所示为使用视频和图像处理包的典型视频系统。

可见，FPGA非常适合视频和图像处理应用，如广播基础设备、医疗成像、HD视频会议、视频监控和军事成像等。以Altera FPGA的视频和图像处理方案为例，它包括经过优化的开发工具和开发套件、参考设计、视频压缩IP、接口和系统IP以及Altera的视频和图像处理IP包等。这些解决方案降低了大量视频和图像应用的成本，提高了性能和效率。