采用FPGA实现视频和图像处理设计

时间:2009-02-22   来源:   网友评论:0   人气: 317 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。

  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90nm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。


 

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