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1.時(shí)機 在世界范圍內，廣播視頻系統的需求都在逐年顯著(zhù)增加，原因是以下的一些因素同時(shí)發(fā)生了作用： ● 可供觀(guān)眾選擇的廣播頻道的增加。世界范圍內，更多觀(guān)眾的選擇從很少的幾個(gè)頻道發(fā)展到幾百個(gè)頻道。 ● 有線(xiàn)電視和衛星電視傳送網(wǎng)的發(fā)展。而互聯(lián)網(wǎng)廣播的發(fā)展更使我們進(jìn)入了“百萬(wàn)頻道”的時(shí)代。 ● 用于信息交流，培訓和安全保衛的公司內部和小范圍的小型廣播視頻應用的發(fā)展。在娛樂(lè )業(yè)界也有了長(cháng)足的發(fā)展，例如飯店視頻點(diǎn)播、超大屏幕電子顯示屏等。 ● 延時(shí)視頻播放、準視頻點(diǎn)播大大增加了用戶(hù)使用的方便程度，使用戶(hù)需要更多的頻道。 ● 當今，大尺寸屏幕電視由普通電視向高清晰電視發(fā)展，導致我們需要安裝更多的廣播設備。 ● 視頻所包含內容快速增加。附加的特技效果、多視窗、字幕疊加、重播等功能需要更高性能的廣播設備。 ● 視頻資源的豐富。與以前只有在特別的演播室制作和重大事件的報道相比，現在可在每個(gè)社區和商家制作。視頻資源的數量飛快增長(cháng)，出現了一個(gè)全新的低端廣播設備市場(chǎng)。 ● 快速地向數字電視轉換，導致更換老舊的模擬信號系統 ● 由于數字電視革命的發(fā)生，在各種數字信號規格之間進(jìn)行視頻編碼轉換的需求很強，這導致了需要添加廣播設備，包括： ● 基本規格：非壓縮、時(shí)間壓縮、MPEG2、MPEG4、H.264壓縮、Windows Media9、Real Networks等； ● 圖像尺寸：標準畫(huà)質(zhì)（SD）、高畫(huà)質(zhì)720P、高畫(huà)質(zhì)1080P； ● 傳輸/封裝規格：ATSC/DVB、SDI、IP等； ● 音頻規格：AES3等； ● 國際規格：NTSC、PAL； ● 設備接口：1394火線(xiàn)接口、DVI接口、GigE Ethernet接口； 上面所發(fā)生的這些最新的變化使功能強大的廣播視頻設備成為必需。廣播設備需要更強的處理功能、更多的輸出頻道、更多的輸出規格等更廣的應用范圍。 本論文論述了一個(gè)將滿(mǎn)足未來(lái)需要的全新的產(chǎn)品平臺。這一平臺的產(chǎn)品成本和開(kāi)發(fā)成本將比現有的系統低。 2.視頻系統平臺 首先，讓我們調查一些現今使用的視頻廣播系統和視頻平臺。一般來(lái)講，用于視頻制作和發(fā)行的基本處理有以下一些方面： 內容制作：攝像機制作和電腦制作；編輯/圖像疊加/圖像混合；特技效果；視頻畫(huà)質(zhì)增強；視頻信號格式轉換；視頻存儲。 視頻的提取和發(fā)布：視頻提取規格轉換；插入節目信息和廣告；廣播視頻規格轉換；發(fā)行：普通、延時(shí)播放、視頻點(diǎn)播。 今天，用于完成以上視頻功能的平臺可大致分為以下幾種類(lèi)型： 內容制作平臺 因為內容制作平臺是非實(shí)時(shí)系統，所以并無(wú)很高的性能要求，即使處理時(shí)間大于實(shí)際時(shí)間也沒(méi)問(wèn)題。因此，一般的電腦和工作站就可勝任。通常，這些平臺會(huì )和視頻加速板一起使用，但這個(gè)加速板只是為了提高視頻制作人員的工作效率，而不是為了實(shí)時(shí)處理的需求。 視頻提取和發(fā)布平臺 視頻提取和發(fā)布平臺必須和視頻廣播同步，所有的處理必須在視頻廣播的線(xiàn)頻和幀頻內完成，所以有絕對的高性能要求�？煽啃砸彩沁@些處理的必然要求。 為了達到這些要求，大多數現今使用的視頻提取和發(fā)布平臺是建立在廠(chǎng)家的專(zhuān)業(yè)廣播平臺之上的。這一平臺由建立于專(zhuān)業(yè)設備中的若干特殊功能的模塊組成。 一些廠(chǎng)家已經(jīng)開(kāi)始使用低成本的個(gè)人電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻處理，但這只是局限于處理一些有限的外圍功能，而且沒(méi)有成為視頻提取和發(fā)布系統的主流。 事實(shí)已經(jīng)非常清楚，基于個(gè)人電腦的平臺將在視頻提取和發(fā)布系統中逐步發(fā)揮越來(lái)越大的作用。由于以下原因，這些平臺將有廣闊的應用前景： ● 大容量處理帶來(lái)的突出的性能價(jià)格比； ● 可用于不同應用軟件廠(chǎng)家的標準平臺，更好的功能，更低的成本； ● 更高的性能價(jià)格比和更多的功能； 3.個(gè)人電腦的長(cháng)處和局限 個(gè)人電腦的能力不斷得到提高，現已達到可實(shí)時(shí)處理單視頻流、壓縮單視頻流，并將其存儲在硬盤(pán)上，進(jìn)行解壓并播放標準畫(huà)質(zhì)流。盡管如此，個(gè)人電腦的帶寬遠遠不能夠處理許多非壓縮視頻流的視頻處理、末端視頻發(fā)布的處理、實(shí)況轉播處理和其他高畫(huà)質(zhì)的視頻處理。 目前，進(jìn)行非壓縮視頻處理的難點(diǎn)在于解決來(lái)自各廠(chǎng)家的無(wú)數的專(zhuān)業(yè)處理板的矛盾。這些專(zhuān)業(yè)處理板能夠完成它們某種特定的功能，但不能靈活地增加新功能，而當你需要多個(gè)功能時(shí)，你需要對不同廠(chǎng)家完全不同的處理板進(jìn)行協(xié)調。 市場(chǎng)需要的是一種具有靈活性的，在一臺個(gè)人電腦上可處理非壓縮視頻的平臺。它能夠提供像高端系統的專(zhuān)業(yè)設備所具有的處理威力和低端個(gè)人電腦系統具有的低價(jià)格。 4.視頻處理中的FPGA 由Altera或其他公司生產(chǎn)的FPGA（現場(chǎng)可編程門(mén)陣列）是一種成長(cháng)非�？斓�半導體芯片。在過(guò)去10年里，這些芯片被廣泛使用并不斷提高自身的性能，現在擁有20億美元的市場(chǎng)并廣泛應用于通信、軍事和廣播器材等領(lǐng)域。 FPGA芯片具有提供可編程軟件的能力和專(zhuān)業(yè)硬件的處理性能。在視頻應用中，FPGA芯片可以在個(gè)人電腦平臺上提供高達10～100倍的處理能力，而且當用戶(hù)需要更改系統的功能時(shí)，只需重新下載一個(gè)文件以修改用戶(hù)的硬件配置，1秒鐘就可完成用戶(hù)的硬件升級。 雖然FPGA技術(shù)早已被應用于廣播視頻業(yè)界，但到目前為止，這類(lèi)應用大多局限于專(zhuān)業(yè)平臺上的特定功能，只有很少的應用于個(gè)人電腦PCI板上的特定功能。 盡管如此，近年來(lái)FPGA的處理能力還是得到了迅猛地發(fā)展�，F在已經(jīng)進(jìn)化到了一個(gè)芯片可執行一個(gè)板的功能，或者說(shuō)一個(gè)芯片可執行一個(gè)系統的功能（SoC）的地步。因為在一塊PCI板上可安裝多個(gè)FPGA芯片，這就使在一塊板上開(kāi)發(fā)一個(gè)等同于一臺專(zhuān)業(yè)設備的完整系統成為可能。 另外，在現有的技術(shù)下，標準的視頻處理功能模塊可以被下載到一個(gè)新型的高處理能力的FPGA芯片中。這些模塊就如同組成一個(gè)專(zhuān)業(yè)設備中的多個(gè)功能模塊。也就是說(shuō)，現在的一個(gè)芯片就可以包含整個(gè)系統，而不需要像以前一樣由一臺專(zhuān)業(yè)設備來(lái)實(shí)現。 這一開(kāi)發(fā)方式較之開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)設備系統有如下優(yōu)越性：低得多的開(kāi)發(fā)成本；低得多的系統成本；用戶(hù)設計和升級極其方便；可直接使用個(gè)人電腦平臺的應用軟件。 5.開(kāi)發(fā)“個(gè)人電腦+FPGA”平臺 當使用“個(gè)人電腦+FPGA”算法設計視頻系統時(shí)，最重要的是決定哪些處理在FPGA中運行，哪些處理在個(gè)人電腦上運行。一般來(lái)講，最佳的系統設計是所有的高速數據流通過(guò)FPGA，而不通過(guò)個(gè)人電腦。個(gè)人電腦可用于數據流管理和一些比較低的數據輸出功能，例如插入疊加數據。 以下類(lèi)型的處理適于通過(guò)FPGA得到最佳性能：視頻混合/疊加；同步壓縮/解壓；數據格式的轉換/轉碼；多頻道同時(shí)輸出系統的IP、DVB/ATSC規格封包/流處理；視頻提取、解壓、多頻道廣播；視頻增強：減噪、色像穩定、分辨率增強等；視頻、音頻和其他數據流處理。 基于一個(gè)FPGA芯片的板可處理合計高達500MB的帶寬（相當于一個(gè)高畫(huà)質(zhì)非壓縮數據流或4個(gè)標準畫(huà)質(zhì)非壓縮數據流）。 如果用戶(hù)需要，一臺個(gè)人電腦可攜帶多塊處理板，一臺塔式rack-mount服務(wù)器可包含多臺個(gè)人電腦。 這一設計方法應用十分廣泛，從可處理幾個(gè)SDI數據流的小型個(gè)人電腦直到處理上百個(gè)數據流的塔式服務(wù)器都可勝任。 6.“個(gè)人電腦+FPGA”平臺的應用 使用以上“個(gè)人電腦+FPGA”平臺的算法，對于以下類(lèi)型的應用可提供低成本、高效率的解決方案：局部網(wǎng)、娛樂(lè )、萬(wàn)維網(wǎng)、有線(xiàn)電視的視頻點(diǎn)播服務(wù)器；定時(shí)重播服務(wù)器；延時(shí)；體育節目和其他節目的視頻實(shí)況制作；ATSC/DVB 數據廣播；社區服務(wù)系統、當地新聞/天氣預報、有線(xiàn)網(wǎng)上購物；互聯(lián)網(wǎng)的合作交流頻道；多頻道衛星接受設備；節目制作和插入廣告設備；區域性視頻發(fā)布系統。 7.介紹： Tsunami板上視頻平臺 Avvida 公司的Tsunami PCI板和Wave開(kāi)發(fā)工具包可使用戶(hù)快速開(kāi)發(fā)并量產(chǎn)他們的產(chǎn)品。 Tsunami廣播處理板包括：最多達6個(gè)SDI接口；最多達5個(gè)FPGA芯片，每個(gè)芯片擁有4個(gè)高速內存，能夠實(shí)現多種視頻處理功能；通過(guò)PCI總線(xiàn)與個(gè)人電腦的高帶寬內存存��；一個(gè)數字視頻輸入接口，從個(gè)人電腦到Tsunami廣播板的傳送速率可達300Mbps。 Avvida 公司可提供如下的視頻處理功能模塊：SDI RAW視頻格式和4∶4∶2、YUV、YcrCb、其他同步壓縮格式之間的格式轉換；4∶4∶4到4∶4∶2格式的抽樣；色彩空間轉換：RGB格式到YUV格式；視頻和音頻的疊加和混合；SDI輸入/輸出處理和誤碼檢測（EDH）的插入和提��；同步鎖相；MPEG2、MPEG4和其他的壓縮/解壓規格；SDI輸入信號存盤(pán)；存儲內容重播；其他。 8.總結 對更強處理能力的數字視頻廣播系統的需求正在快速增長(cháng)，這對一種應用前景廣闊的系統既是一種新的挑戰，也是一個(gè)新的機會(huì )。一臺裝配了Avvida 公司強大威力的Tsunami FPGA PCI處理板的標準個(gè)人電腦能夠有效地滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。處理板所附加的基于FPGA的視頻處理功能模塊可為用戶(hù)帶來(lái)更低開(kāi)發(fā)成本和更短的投放市場(chǎng)時(shí)間。 |
