如何在FPGA中實現圖像格式轉換

圖5. 更新縮放功能

　　為進一步定制設計，您可以針對MegaCore 功能來修改參數。Altera 開發的所有視頻功能都是可以進行參數賦值的。如圖6 所示，利用去隔行器功能，您不但可以選擇去隔行算法，還可以選擇默認場、直通模式、外部存儲器緩沖幀數量、輸出幀速率和運動控制補償等算法。

圖6. 參數賦值硬件功能模塊

　　Avalon-ST 和Avalon-MM 接口標準的開放即插即用規范意味著您可以先進行圖像格式轉換設計，然后，采用定制模塊來替換Altera 模塊。很多設計人員都有適合自己應用的定制算法。為實現定制算法的簡單集成，Altera 提供支持Avalon-ST 接口打包器的HDL 模板。打包器包括以下模塊：

　　■ VIP 控制數據包解碼器——從數據流中解碼VIP 控制數據包，將解碼后的數據（ 寬度、高度、隔行信息）作為單獨的信號發送給算法功能模塊。

　　■ VIP 控制數據包編碼器——根據接收到的寬度、高度和隔行信息對VIP 控制數據包編碼，將其插入到數據流中。

　　■ VIP 流控制打包器——圍繞用戶算法進行打包處理，實現 Avalon-ST 與簡單讀寫接口的流控制轉換。

　　■ 用戶算法內核——HDL 模板在用戶算法模塊中提供了簡單的設計實例。您可以采用自己的算法替代這一模塊。

　　圖7 所示為HDL 模板的高級結構視圖。

圖7. Avalon 流HDL 模板

　　Algolith 作為Altera IP 合作伙伴，是視頻IP 領域的專業公司，采用了HDL 模板來評估其內核。Algolith 開始時采用Altera 參考設計進行圖像格式轉換，然后使用自己的專用運動自適應去隔行器替代Altera 去隔行器，并提供給用戶，在硬件中進行評估。同樣， Algolith 使用Altera 視頻設計工作臺開發了參考設計，幫助用戶評估他們的噪聲抑制IP。

　　4 結論

　　Altera 視頻工作臺為廣播基礎實施系統實現圖像格式轉換提供所有必須的關鍵功能。采用Altera 視頻設計工作臺和圖像格式轉換參考設計， FPGA 設計人員現在可以使用以前只有廣播ASSP 才能提供的功能，而且還具有靈活性和硬件定制等優勢。

　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