利用平臺FPGA器件進(jìn)行多媒體、視頻和圖像應用設計

當今生活的時(shí)代，多媒體通信的出現和流行是大勢所趨。隨著(zhù)數字電視(DTV)、IP視頻傳輸、數字相機、無(wú)線(xiàn)視頻、醫療圖像和視頻監控等應用的興起，目前提供音頻和數據服務(wù)的許多系統都會(huì )隨實(shí)時(shí)視頻技術(shù)的應用而有不同程度的擴展。在最近的技術(shù)發(fā)展表明，芯片邏輯門(mén)密度和嵌入式功能的極大提高為多媒體處理設計提供了激動(dòng)人心的設計可能性。同時(shí)，還可以利用可重配置芯片所提供的額外靈活性來(lái)提供具有吸引力的解決方案。本文中，我們將考察多媒體系統的要求以及多媒體處理所需要的一些基本構建模塊。然后，我們將討論將實(shí)時(shí)視頻應用的抽象描述轉換為采用FPGA技術(shù)有效實(shí)現的設計所需要的設計流程。最后，我們將考察新興壓縮標準JPEG2000和MPEG-4的需求。在多媒體處理解決方案領(lǐng)域，FPGA技術(shù)能夠以合適的價(jià)位點(diǎn)提供實(shí)現下一代多媒體算法所需要的帶寬、設計工具和芯片，從而滿(mǎn)足多媒體設計人員的要求。

多媒體通信

由于新興壓縮和通信技術(shù)的快速應用，對多媒體通信的需求每年都在提高。這些技術(shù)大部分都被ISO、ITU、SMTPte和IEEE等標準機構所采納。多媒體壓縮對于有效地使用可用的存儲和帶寬資源非常關(guān)鍵。ISO MPEG和J

PEG工作組和ITU一起開(kāi)發(fā)了可滿(mǎn)足音頻、視頻和系統壓縮需求的標準。兩個(gè)最近完成的標準JPEG2000 和 AVC (高級視頻編碼解碼器， MPEG-4 Part 10/H.264)標準，提供了前所未有的性能水平，但密集的計算需求比較有利于FPGA技術(shù)，而不是傳統基于處理器的解決方案。

這些壓縮標準致力于滿(mǎn)足范圍廣泛的應用領(lǐng)域，并按運算的類(lèi)(profile)和級(level)來(lái)劃分。類(lèi)定義了編碼解碼器中所使用的標準算法功能集合。級則定義了特定類(lèi)中的參數選擇集合，如幀大小和速率。這些標準服務(wù)的多樣化市場(chǎng)包括數字視頻廣播、IP多媒體傳輸、無(wú)線(xiàn)多媒體傳輸、視頻監控、醫療圖像和數碼相機。這些市場(chǎng)在采集、計算和顯示方面有著(zhù)非常不同的要求。

壓縮芯片市場(chǎng)預計到2006年時(shí)將從目前的15億美元增長(cháng)到28億美元。這一發(fā)展趨勢與1990年代音頻無(wú)線(xiàn)應用大變革時(shí)的情況類(lèi)似。今天的許多系統都提供音頻和數據服務(wù)，我們在文中將考察視頻服務(wù)的興起，以及新帶來(lái)的計算需求挑戰。

多媒體系統的要求

多媒體系統的要求高度依賴(lài)于最終應用。例如，視頻點(diǎn)播(VOD)對延遲的要求相對較高，而視頻會(huì )議則對延遲有精確的高要求。視頻監控在延遲方面的要求則介于在這兩個(gè)極端之間。實(shí)時(shí)多媒體系統可能需要也可能不需要實(shí)時(shí)編碼。MPEG標準的開(kāi)發(fā)主要著(zhù)眼于降低解碼器的復雜性，以提供成本經(jīng)濟的方案。相對而言，MPEG編碼器的復雜程度是MPEG解碼器的10倍左右。不需要實(shí)時(shí)效果的應用，如視頻點(diǎn)播可以采用兩步算法進(jìn)行離線(xiàn)編碼以獲得最佳的效果。視頻監控和視頻會(huì )議則是需要實(shí)時(shí)編碼的例子。在針對多媒體壓縮的標準中，解碼器功能規定了嚴格的標準兼容性規則，而編碼器相對則自由多了。換句話(huà)來(lái)說(shuō)，視頻編碼器只要能夠生成符合標準的正確位流就可以，而兼容解碼器則必須能夠解釋標準定義的特定類(lèi)和級中所允許的任何正確位流。

圖像數據庫存儲要求與壓縮視頻傳輸的要求絕緣不同。ISO JPEG工作組通常以壓縮比率來(lái)衡量不同的壓縮方案，而ISO MPEG通常采用固定位速率做為衡量參數。只要我們談到多媒體通信，這些系統在數據傳輸過(guò)程中都需要通信信道能夠保證固定的位速率。這導致一個(gè)問(wèn)題，因為壓縮比率是序列相關(guān)的，因此為了獲得可接受的結果，必須在質(zhì)量方面有所折衷。很明顯，在編碼器方面如果嚴格遵循固定位速率生成數據位流，那么就會(huì )導致幀之間質(zhì)量的變化，有時(shí)可能會(huì )變得無(wú)法接受。這一問(wèn)題可以通過(guò)下面的方法來(lái)減輕，在類(lèi)編碼器的后面指定一個(gè)緩沖存儲區，這樣就可允許編碼器以可變數據速率填充緩沖區，而通信信道則可以以固定速率讀取并清空緩沖區。這意味著(zhù)多媒體壓縮系統需要存儲器。為了提高或增強質(zhì)量所需要的額外預處理和后處理也提高了對存儲器的需求。例如，在MPEG-4編碼器的情況下，典型情況下需要3~10 MB的存儲器，而解碼器只需要1~3 MB。

對任何系統來(lái)說(shuō)，一個(gè)主要的要求是為達到實(shí)時(shí)操作而需要的每秒運算次數。對于多媒體壓縮來(lái)說(shuō)，這確實(shí)是一個(gè)需要量化的具有挑戰性的數字。由于工作點(diǎn)很多，計算所需要的MOPS數值可能很大。圖1 給出了幾個(gè)MPEG-4類(lèi)以及達到這些工作點(diǎn)所需要的相對MOPS數值，其中一級簡(jiǎn)單類(lèi)歸一化值為1。一個(gè)分辨率為640x480、每秒30幀的JPLEG2000視頻監控應用視頻流大約需要4200 MOPS，而分辨率為1024x1024、 每秒 60幀的醫療圖像無(wú)失真碼流在采用JPEG2000標準編碼時(shí)則需要29000 MOPS。利用JPEG200

0標準的4096x2048分辨率24 幀每秒的數碼相機需要93000 MOPS。使問(wèn)題更復雜的是，在整個(gè)視頻流運算過(guò)程中，所需要的MOPS數值并不是固定值，而是依賴(lài)于圖像內容的。在圖2中我們看到在視頻序列的播放過(guò)程中，峰值MOPS數值是需要確定的關(guān)鍵要求。

圖1 不同MPEG類(lèi)編碼所需要的計算MOPS要求