采用FPGA实现视频和图像处理设计(图)

2009-01-17 12:25:04来源: 今日电子

  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。

关键字:视频  智能  终端  分辨率  采集

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2009/0117/article_542.html
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