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采用FPGA实现视频和图像处理设计

时间:2015-05-27 12:15:08  来源:  作者:

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将可能取代广播一体电感器电视应用中的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。差模电感

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等可编程解决方案。这些贴片共模电感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9绕行电感器0nm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共模电感济性。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。 1

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