高密度FIFO器件在視頻和圖像領(lǐng)域中的應用

許多市場領(lǐng)域（包括視頻廣播、軍事、醫(yī)學影像、基站）都得益于使用高密度 FIFO 器件方案的使用，其具有可編程的特點。并且比 SDRAM + FPGA 的體系結(jié)構(gòu)可以顯著節(jié)省成本和改進視頻質(zhì)量，使用系統(tǒng)級編程，可以使高密度 FIFO 設(shè)計更簡單，成本更低。在這篇文章中，我們將首先介紹幾個視頻應用，了解其數(shù)據(jù)路徑及需要處理的數(shù)據(jù)性質(zhì)。下一步，我們將盡力估計在視頻處理通道中操作數(shù)據(jù)的復雜性。然后會介紹可編程高密度 FIFO和其能力，以及它如何能更有效率的替代當前傳統(tǒng)的使用 SDRAM 和 FPGA 實現(xiàn)幀緩存的方案。

視頻應用概述： 圖 1 顯示了 IPTV 的系統(tǒng)框圖。輸入傳輸流可以是任何編碼形式如 DVB -ASI，MPEG2 或SDI，他們通過用多格式解碼器（multi-format CODEC）傳輸，轉(zhuǎn)換成(即解碼或重解碼)成H.264 傳輸流。經(jīng)編碼的傳輸流用通道信息封裝并通過以太網(wǎng)發(fā)送。在接收路徑，到來的傳輸流在顯示之前要進行解碼和后處理，例如降噪、顏色增強，縮放，去隔行等。 圖 2 顯示了一個用于電影制作和攝影棚的 HD(高清)專業(yè)相機的系統(tǒng)框圖。捕獲到的圖像經(jīng)過一個圖像處理器，進行色彩處理、亮度提高、數(shù)碼縮放、幀速率轉(zhuǎn)變等等。圖像處理單元通常使用一個基于 FPGA 的設(shè)計，由于大部分的圖像處理是專有的，會經(jīng)常發(fā)生變化。應用處理器管理與其它設(shè)備的通訊以及壓縮并存儲捕獲到的內(nèi)容到海量存儲(HDD)。應用處理器也有一個圖形引擎來進行屏幕顯示(OSD)，它和進來的視頻混合后顯示。從上述例子中，我們可以看到數(shù)據(jù)處理包括兩種類型：1) 幀同步: 在一些任務(wù)中需要幀同步（例如，通過以太網(wǎng)傳輸和接收時，當碼流速度不斷變化而解碼器需要一個恒速的傳輸流）。雖然存儲器對同步的要求似乎很小，但當涉及到多個碼流時它可能很顯著。這種同步可以由一個異步 FIFO 實現(xiàn)。2) 幀存儲: 幀存儲在這些地方需要：任何暫時的處理如幀率轉(zhuǎn)換，數(shù)碼變焦(縮放)，或執(zhí)行去隔行。儲存的幀數(shù)量隨著需要的臨時信息數(shù)目增加而增加。當視頻數(shù)據(jù)按照本來的順序時，幀緩存也必須是“先進先出”。 通過上面的討論，我們可以說，所有的儲存和同步都可以使用 FIFO 實現(xiàn)。那么理想的 FIFO應該是多大的呢？一個典型的 1080p 幀，10 位 4:2:2 格式將需要存儲器大小為 39.55M 位(每行像素數(shù)*每幀行數(shù)*每像素比特數(shù)=1920*1080*20)。預計總?cè)萘靠梢酝ㄟ^需要存儲的幀數(shù)乘以這個數(shù)字。典型的視頻處理算法需要存儲 2 到 3 幀，這意味著總?cè)萘恳_到 120M 位。由于不可能有如此大的基于片上 SRAM 的 FIFO 存儲器，一般的方法是使用一個 DRAM 來緩存這個數(shù)據(jù)。
高密度FIFO -傳統(tǒng)的實施和及其復雜性。 幀緩存就是高密度 FIFO，傳統(tǒng)上使用外部 DDR SDRAM 實現(xiàn)。舉例說明一個典型的視頻處理應用和這些 FIFO 如何實現(xiàn)。 圖3顯示了一個典型情況的數(shù)據(jù)路徑，有4種不同來源的視頻流需要顯示在同一個顯示器上。四個以 1080p60(24 位 RGB)分辨率捕捉視頻的高清相機使用一個 cameralink 接口連接到系統(tǒng)上。色彩空間轉(zhuǎn)換 (從 RGB 到 YCbCr)及色度采樣降低（從 4:4:4 到 4:2:2）后，橫向和縱向幀按比例減少，并儲存在 DDR2 SDRAM 里。存儲的幀可以按要求讀回和定位，結(jié)果幀和融合幀然后提高采樣速度和色彩空間轉(zhuǎn)換為通過 LVDS 連接來驅(qū)動面板。 讓我們看看存儲器大小和帶寬要求: