用FPGA替代DSP實(shí)現(xiàn)即時(shí)圖像和視頻處理

?????? 隨著數(shù)字融合的進(jìn)一步發(fā)展，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)需要更大的靈活性，以解決將完全不同的標(biāo)準(zhǔn)和要求整合為同類產(chǎn)品時(shí)引發(fā)的諸多問(wèn)題。本文介紹FPGA在視頻處理中的應(yīng)用，與ASSP和芯片組解決方案相比，F(xiàn)PGA可根據(jù)目前設(shè)計(jì)工程師的實(shí)際需求提供不同層次的靈活性，并保持明顯優(yōu)于傳統(tǒng)DSP的性能。

　　實(shí)時(shí)視頻處理對(duì)系統(tǒng)性能的要求極高，因此幾乎所有只具最簡(jiǎn)單功能的通用DSP都不具備這項(xiàng)功能。可程序邏輯組件允許設(shè)計(jì)人員利用平行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)處理算法，并且只需單個(gè)組件就能實(shí)現(xiàn)期望的性能?；贒SP的解決方案通常需要在單板上嵌入許多DSP，以得到必需的處理能力，這無(wú)疑將增加程序資源開銷和數(shù)據(jù)內(nèi)存資源開銷。

　　藉由在實(shí)時(shí)環(huán)境下進(jìn)行視頻處理，系統(tǒng)工程人員可將幀內(nèi)存需求和數(shù)據(jù)緩沖需求降至最低，而在非實(shí)時(shí)應(yīng)用中則無(wú)需如此。隨著業(yè)界積極推動(dòng)高質(zhì)量視頻開發(fā)以及壓縮格式的不斷改進(jìn)，系統(tǒng)處理速度也不斷提高?？沙绦蜻壿嫿M件也采用了專用尋呼設(shè)備中廣泛采用的FPGA組件架構(gòu)。由于FPGA制程的發(fā)展遵循摩爾定律，因此與稍早開發(fā)的同種產(chǎn)品相比，新產(chǎn)品能以更具吸引力的成本優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)相同的功能和性能。

　　這種趨勢(shì)的一大源動(dòng)力來(lái)自網(wǎng)絡(luò)、廣播、處理和顯示技術(shù)的融合，即業(yè)界所稱的‘?dāng)?shù)位融合’。由于在極窄的傳輸信道(如無(wú)線信道)上發(fā)送高頻寬視頻數(shù)據(jù)并保持適當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)極其困難，因此設(shè)計(jì)人員展開了廣泛的研究，致力于改進(jìn)糾錯(cuò)、壓縮和圖像處理技術(shù)，這些研究均建立在FPGA實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上。

　　圖像壓縮/解壓縮-DCT/IDCT 目前在數(shù)字視頻系統(tǒng)中主要使用的視頻壓縮格式是MPEG2，已廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視、視訊轉(zhuǎn)換盒、數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)、高清晰度電視(HDTV)譯碼器、DVD播放器、視頻會(huì)議設(shè)備和*中。原始的數(shù)字視頻信息總需要進(jìn)行壓縮，以便藉由適當(dāng)?shù)膫鬏斖ǖ纻魉突蛘邇?chǔ)存在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)(如磁盤)中。此外還有許多新標(biāo)準(zhǔn)即將或正在推出，包括最為引人注目的MPEG4，但大多數(shù)基于該技術(shù)的產(chǎn)品仍在開發(fā)中。

　　MPEG2和MPEG4算法的核心是一種稱為離散余弦變換(DCT)的作業(yè)。DCT的基本原理是取圖素塊的平方并除去觀察者察覺不到的冗余信息。為了解壓縮數(shù)據(jù)，還需要反離散余弦(IDCT)運(yùn)算。

　　雖然MPEG算法中的DCT部份已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化并能在FPGA中有效實(shí)現(xiàn)，MPEG編碼仍有許多部份尚未明確規(guī)定。而正是這些不明確部份使得一家公司的產(chǎn)品得以區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，并開發(fā)出擁有自主產(chǎn)權(quán)的算法。許多專用MPEG譯碼器在這些部份(如運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊)使用了FPGA。因?yàn)镕PGA可重新配置，因此組件能方便地進(jìn)行刷新，并在整個(gè)開發(fā)階段(包括配置之后)整合新算法，而完全依賴標(biāo)準(zhǔn)ASSP解決方案的公司由于受到自身能力的限制而無(wú)法開發(fā)出類似產(chǎn)品，因此市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)較大(圖1)。

色彩空間轉(zhuǎn)換

　　視頻系統(tǒng)另一重要部份是色彩空間轉(zhuǎn)換，該制程規(guī)定了圖像的表示方法，例如由一種色彩格式轉(zhuǎn)化為另一種不同的色彩格式。

　　人眼傳感器只能檢測(cè)到波長(zhǎng)介于400nm至700nm之間的可見光，這些傳感器稱為圓錐細(xì)胞，具有三種不同的類型：紅光圓錐細(xì)胞、綠光圓錐細(xì)胞和藍(lán)光圓錐細(xì)胞。如果單波長(zhǎng)的光可見，這三種傳感器的相對(duì)反應(yīng)能使我們鑒別出光的顏色。該現(xiàn)象極具實(shí)用價(jià)值，因?yàn)檫@意味著我們只需簡(jiǎn)單地按不同比例將上述三種光混合，就能產(chǎn)生各種顏色的光。這就是著名的三色原理，它在彩電系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　我們可以在3維立方體中藉由繪制三原色(即紅色、綠色和藍(lán)色，簡(jiǎn)寫為RGB)的構(gòu)成比率圖以表示各種顏色，其中黑色位于原點(diǎn)，而白色則位于原點(diǎn)的斜對(duì)角。得到的立方體就是著名的RGB色彩空間。

　　不管最終的顯示媒體是紙張、LED、CRT或等離子顯示器，圖像總可細(xì)分為很多個(gè)圖素(例如HDTV可具備1920×1080個(gè)圖素)。同時(shí)每種媒體之間又存在些許差異，但其基本原理都是每個(gè)圖素由一定比例的紅色、綠色或藍(lán)色構(gòu)成，構(gòu)成的比例取決于驅(qū)動(dòng)顯示的電壓信號(hào)。