??引言 ? ??服務器、交換機、前端編碼器以及專用演播顯示器等廣播基礎設備系統支持各種輸入圖像格式，在存儲、編碼和顯示之前，通常需要將圖像轉換為高清晰（HD） 或者其他分辨率格式。專用ASSP 雖然滿足了這一市場需求，取得了一定的成功，但仍然面臨通過采用單芯片方案來滿足廣播設備供應商各種特殊需求這一挑戰。例如，在交換機應用中，總延時非常重要，延時是顯示和視頻會議系統的關鍵因素，而圖像質量是攝制后期設備最重要的指標。除了這些特殊應用需求，器件還必須能夠支持各種幀速率、分辨率和格式。 ??而且，這類設備的設計周期相對較短，當需求變化時，設計人員沒有足夠的時間等待長周期ASSP 重制的完成。結果，很多優秀的視頻技術ASSP 供應商在這一領域未能及時跟上市場的腳步，被消費類電子芯片生產商收購，為消費類市場提供視頻處理專業技術。例如， Gennum （VXP）、Genesis、Silicon Optix 和LetIt Wave 分別被Sigma Designs、ST Micro、IDT 和Zoran 收購。 ??在這一ASSP 行業合并和重新定位過程中， FPGA 視頻處理功能不斷增強，成為定制圖像格式轉換應用的理想平臺。為支持加速實現FPGA 圖像格式轉換， Altera 開發了本白皮書介紹的1080p 視頻設計工作臺，幫助系統設計人員輕松開發定制圖像格式轉換信號鏈。本文所討論的圖像格式轉換參考設計可以作為起點，適當修改后用于定制視頻處理應用開發。本設計經過硬件驗證，可以提供給授權用戶。 ? ??1 視頻設計工作臺 ? ??Altera 視頻設計工作臺集成了各種工具和構建模塊視頻功能，有助于加速定制圖像格式轉換設計的開發和實現。它包括以下組成： ??■ 構建模塊視頻知識產權（IP） 內核 ??■ 格式轉換參考設計，展示FPGA 功能，提供設計起點。 ??■ 低開銷開放視頻接口，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器子系統的系統級設計工具 ??■ 可迅速進行原型設計的各種視頻開發套件 ??Altera 為視頻處理開發了各種構建模塊，即，視頻和圖像處理（VIP） 包（ 參見圖1）。在這一開發包的眾多功能中，縮放和去隔行是圖像格式轉換設計最常用的功能。Altera 的VIP 包具有復雜的多相縮放引擎和去隔行功能，可以配置實現運動自適應去隔行功能。其他常用的功能包括色度重新采樣、顏色空間轉換以及幀速率轉換等，這些都含在VIP 包中。可以把這些視頻功能結合在一起，開發定制視頻格式轉換設計。 ? ?? ??圖1. 視頻圖像處理（VIP） 包 ? ??這一視頻設計工作臺提供以前由ASSP 實現的功能，還具有定制設計并進行更新的優點（ 參見表1）。 ? ??表1. Altera 視頻設計工作臺與廣播ASSP 的對比 ?? ? ??2 圖像格式轉換設計 ? ??如圖2 所示，幾乎所有的演播系統，包括服務器、交換機、前端編碼器和面板等都需要進行定制圖像格式轉換，這是非常適合可編程FPGA 體系結構的應用。Altera 圖像格式轉換設計實現了隔行和逐行格式視頻標準清晰度（SD） 和HD 視頻流的高質量上、下、交叉轉換。這一設計在硬件中進行了驗證，可以從當地Altera 現場應用工程師（FAE） 那里獲得。 ? ?? ??圖2. 典型演播系統的功能結構圖 ? ??圖3 所示的格式轉換設計實現了雙通道視頻的圖像格式轉換。該設計包括兩路SDI 通道視頻，處理SD、HD 以及3G-SDI （ 全HD）。 ? ?? ??圖3. Altera 采用視頻設計工作臺開發的圖像格式轉換設計 ? ??首先由同步視頻輸入MegaCore 功能來處理SDI 視頻數據。該功能將同步視頻格式數據（ 例如， BT656 或者DVI） 轉換為流控制Avalon 流（Avalon-ST） 視頻協議，實現與數據通路后面其他視頻處理功能的鏈接。 ??采用高質量視頻處理數據通路來處理第一個視頻通道。對每一輸入視頻圖像（ 這個例子中是NTSC） 場的前三行進行剪輯，輸出720x240 圖像。剪輯后的視頻數據在從YcbCr 顏色空間轉換為RGB 之前，經過色度上采樣，轉換為YCbCr 4:4：4 格式。色度上采樣功能使用具有固定Lanczos-2 系數的4 抽頭濾波器。顏色空間轉換器也采用了取整（ 向上半數取整） 算法，輸出8 位位寬數據。 ??然后，將視頻傳送至去隔行功能模塊。由于運動自適應算法要求輸入顏色通道具有相同的采樣率，因此，在進行去隔行處理之前，先進行色度上采樣。（ 今后的去隔行IP 將支持4:2：2 模式的視頻處理功能）。去隔行器經過配置后，能夠同時接收逐行和隔行視頻。當輸入視頻是隔行格式時，運動自適應算法產生逐行格式的視頻流。當輸入視頻是逐行格式時，去隔行器直接輸出數據，不對其進行處理。當進行運動自適應去隔行處理時，數據在外部存儲器中進行緩沖，完成基本幀速率轉換處理。 ??然后，通過參數賦值縮放器功能（ 具有12 個橫向和12 個縱向抽頭） 的多相算法對逐行視頻流進行縮放。 ??采用Avalon 存儲器映射（Avalon-MM） 從機控制接口對縮放器進行配置，支持縮放器輸出分辨率運行時規范要求。此外，當縮放比率變化時， Nios？ II 處理器上運行的軟件計算并重新裝入合適的系數，從而提高了圖像質量。最后，在將視頻流與背景測試碼型以及第二個視頻流混合之前，幀緩沖功能在外部存儲器中緩沖視頻數據。兩路視頻流輸入到合成器進行縮放和同步，需要對突發數據流進行平滑處理。 ??第二個通道處理質量稍差，這樣可以提高視頻格式轉換的資源利用率。主要有兩種方法來處理兩路不同格式的視頻流： ??■ 使用簡單的最近鄰居縮放算法對第二個視頻流進行縮放，需要較少的片內存儲器和乘法器資源。 ??■ 使用場合并去隔行算法對第二個視頻流進行去隔行處理，需要較少的邏輯資源和外部存儲器帶寬。 ?