1.時機

在世界范圍內，廣播視頻系統的需求都在逐年顯著增加，原因是以下的一些因素同時發生了作用：

可供觀眾選擇的廣播頻道的增加。世界范圍內，更多觀眾的選擇從很少的幾個頻道發展到幾百個頻道。

有線電視和衛星電視傳送網的發展。而互聯網廣播的發展更使我們進入了“百萬頻道”的時代。

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展。在娛樂業界也有了長足的發展，例如飯店視頻點播、超大屏幕電子顯示屏等。

延時視頻播放、準視頻點播大大增加了用戶使用的方便程度，使用戶需要更多的頻道。

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，現在可在每個社區和商家制作。視頻資源的數量飛快增長，出現了一個全新的低端廣播設備市場。

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生，在各種數字信號規格之間進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、時間壓縮、MPEG2、MPEG4、H.264壓縮、Windows Media9、Real Networks等;

圖像尺寸：標準畫質(SD)、高畫質720P、高畫質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火線接口、DVI接口、GigE Ethernet接口;

上面所發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。

本論文論述了一個將滿足未來需要的全新的產品平臺。這一平臺的產品成本和開發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。一般來講，用于視頻制作和發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;視頻畫質增強;視頻信號格式轉換;視頻存儲。

視頻的提取和發布：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;發行：普通、延時播放、視頻點播。

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型：

2.1 內容制作平臺

因為內容制作平臺是非實時系統，所以并無很高的性能要求，即使處理時間大于實際時間也沒問題。因此，一般的電腦和工作站就可勝任。通常，這些平臺會和視頻加速板一起使用，但這個加速板只是為了提高視頻制作人員的工作效率，而不是為了實時處理的需求。

2.2 視頻提取和發布平臺

視頻提取和發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頻和幀頻內完成，所以有絕對的高性能要求。可靠性也是這些處理的必然要求。

為了達到這些要求，大多數現今使用的視頻提取和發布平臺是建立在廠家的專業廣播平臺之上的。這一平臺由建立于專業設備中的若干特殊功能的模塊組成。

一些廠家已經開始使用低成本的個人電腦進行實時視頻處理，但這只是局限于處理一些有限的外圍功能，而且沒有成為視頻提取和發布系統的主流。

事實已經非常清楚，基于個人電腦的平臺將在視頻提取和發布系統中逐步發揮越來越大的作用。由于以下原因，這些平臺將有廣闊的應用前景：

大容量處理帶來的突出的性能價格比;

可用于不同應用軟件廠家的標準平臺，更好的功能，更低的成本;

更高的性能價格比和更多的功能;

3.個人電腦的長處和局限

個人電腦的能力不斷得到提高，現已達到可實時處理單視頻流、壓縮單視頻流，并將其存儲在硬盤上，進行解壓并播放標準畫質流。盡管如此，個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、末端視頻發布的處理、實況轉播處理和其他高畫質的視頻處理。

目前，進行非壓縮視頻處理的難點在于解決來自各廠家的無數的專業處理板的矛盾。這些專業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，而當你需要多個功能時，你需要對不同廠家完全不同的處理板進行協調。

市場需要的是一種具有靈活性的，在一臺個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業設備所具有的處理威力和低端個人電腦系統具有的低價格。

4.視頻處理中的FPGA

由Altera或其他公司生產的FPGA(現場可編程門陣列)是一種成長非常快的半導體芯片。在過去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20億美元的市場并廣泛應用于通信、軍事和廣播器材等領域。

FPGA芯片具有提供可編程軟件的能力和專業硬件的處理性能。在視頻應用中，FPGA芯片可以在個人電腦平臺上提供高達10～100倍的處理能力，而且當用戶需要更改系統的功能時，只需重新下載一個文件以修改用戶的硬件配置，1秒鐘就可完成用戶的硬件升級。

雖然FPGA技術早已被應用于廣播視頻業界，但到目前為止，這類應用大多局限于專業平臺上的特定功能，只有很少的應用于個人電腦PCI板上的特定功能。

盡管如此，近年來FPGA的處理能力還是得到了迅猛地發展。現在已經進化到了一個芯片可執行一個板的功能，或者說一個芯片可執行一個系統的功能(SoC)的地步。因為在一塊PCI板上可安裝多個FPGA芯片，這就使在一塊板上開發一個等同于一臺專業設備的完整系統成為可能。

另外，在現有的技術下，標準的視頻處理功能模塊可以被下載到一個新型的高處理能力的FPGA芯片中。這些模塊就如同組成一個專業設備中的多個功能模塊。也就是說，現在的一個芯片就可以包含整個系統，而不需要像以前一樣由一臺專業設備來實現。

這一開發方式較之開發專業設備系統有如下優越性：低得多的開發成本;低得多的系統成本;用戶設計和升級極其方便;可直接使用個人電腦平臺的應用軟件。

5.開發“個人電腦+FPGA”平臺

當使用“個人電腦+FPGA”算法設計視頻系統時，最重要的是決定哪些處理在FPGA中運行，哪些處理在個人電腦上運行。一般來講，最佳的系統設計是所有的高速數據流通過FPGA，而不通過個人電腦。個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。

以下類型的處理適于通過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FPGA芯片的板可處理合計高達500MB的帶寬(相當于一個高畫質非壓縮數據流或4個標準畫質非壓縮數據流)。

如果用戶需要，一臺個人電腦可攜帶多塊處理板，一臺塔式rack-mount服務器可包含多臺個人電腦。

這一設計方法應用十分廣泛，從可處理幾個SDI數據流的小型個人電腦直到處理上百個數據流的塔式服務器都可勝任。

6.“個人電腦+FPGA”平臺的應用

使用以上“個人電腦+FPGA”平臺的算法，對于以下類型的應用可提供低成本、高效率的解決方案：局部網、娛樂、萬維網、有線電視的視頻點播服務器;定時重播服務器;延時;體育節目和其他節目的視頻實況制作;ATSC/DVB 數據廣播;社區服務系統、當地新聞/天氣預報、有線網上購物;互聯網的合作交流頻道;多頻道衛星接受設備;節目制作和插入廣告設備;區域性視頻發布系統。

7.介紹： Tsunami板上視頻平臺

Avvida 公司的Tsunami PCI板和Wave開發工具包可使用戶快速開發并量產他們的產品。

Tsunami廣播處理板包括：最多達6個SDI接口;最多達5個FPGA芯片，每個芯片擁有4個高速內存，能夠實現多種視頻處理功能;通過PCI總線與個人電腦的高帶寬內存存取;一個數字視頻輸入接口，從個人電腦到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)的插入和提取;同步鎖相;MPEG2、MPEG4和其他的壓縮/解壓規格;SDI輸入信號存盤;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，這對一種應用前景廣闊的系統既是一種新的挑戰，也是一個新的機會。一臺裝配了Avvida 公司強大威力的Tsunami FPGA PCI處理板的標準個人電腦能夠有效地滿足市場的需求。處理板所附加的基于FPGA的視頻處理功能模塊可為用戶帶來更低開發成本和更短的投放市場時間。

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