为缓解我国电子信息产业快速发展与核心技术人才紧缺的矛盾，中电网（ChinaECNet）在信息产业部的支持下，联合国际著名集成电路设计厂商和清华大学等国内顶级高校，隆重推出电子工程与集成电路技术培训项目。所开课程包括FPGA/PLD、数字处理器、嵌入式 SoC 以及模拟和射频技术等。其中，FPGA培训是与Altera公司和清华大学共同推出的，并最先开课。本刊将陆续整理培训的精华内容与读者分享。更多详情敬请登录 http://training.chinaecnet.com/ 。

视频和图像处理发展趋势

FPGA应用在视频和图像领域的历史很长，如在广播基础设施、HDTV显示器、医疗成像、HDTV视频会议以及视频DVR、摄像机还有一些军事成像领域。

总的来看，视频和图像处理器的发展趋势集中于以下几方面：第一，越来越高的图像采集和显示分辨率；第二，新的压缩技术不断发展；第三，很多系统对智能方面的要求日益广泛。综上所述，这对系统设计产生了直接的冲击。

图像采集方面，图像的分辨率已经从800 600象素提高到1280 720象素；图像显示方面，正从标清转向高清格式；在图像处理时，需要处理的象素不断提高，这些变化直接影响当今系统的一些实现方式。

单个DSP已不能满足整个系统的要求，只能采用多个DSP并行的结构实现但也有问题存在。第一，整个的系统的成本增加；第二，系统设计的复杂度高。

特殊市场需求

特定的终端市场对视频和图像处理的具体要求存在一定的变化。第一，在广播业中，Altera的PRD能为广播工业带来很多价值。第一，支持多种AV格式以及编码、解码标准，第二，降低系统的成本，Cyclone II及MAX II器件本身就是针对成本非常敏感的市场应用而设计。结构化的ASIC也是降低系统成本的一个最有效的途径。另外，利用FPGA能集成其他IP功能，使整个系统具有很高的集成度。由于可编程逻辑器件的灵活性，设备间的互操作性很容易。

PRD在广播中的一些典型应用包括：音频和视频的采集、内容的准备、前处理和后处理、视频监控存储和基础设施以及内容交互、数字影院等。

当前视频监控已经转到数字系统，相比模拟系统，数字系统更灵活、图像质量更高，并能利用FPGA或DSP实现图像的预处理和后处理，提高系统图像质量，增加智能性算法。 目前，多通道视频监控系统采用ASSP或ASIC实现，其发展趋势是通道数越来越多，分辨率越来越高，编解码方式日益复杂先进。

医疗成像领域也需要大量的视频处 理。Altera器件在医疗成像领域有很多成功的应用，使用FPGA可以提高卫生保健系统的性能和工作效率。Cyclone II和MAX II器件针对成本敏感的应用而设计，且PRD生命周期较长。

FPGA在医疗成像领域的应用主要几种在以下几点：图像分析、模式识别、图像增强和修复及图像和数据压缩。FPGA也可用于实现一些算法，如小波变换、色彩空间转换等。上述所有应用都可以通过使用FPGA提高系统效率，低成本的Cyclone II和MAX II器件可降低整个系统的成本。

视频和图像处理套件

Altera推出视频和图像处理套件,即它针对视频应用解决方案的9个IP，包括器件、软件、IP以及开发板，还有参考设计，能帮助客户快速开发自己的产品，并提供设计服务。这9个小的IP分别是去隔行，即将隔行视频格式转化为逐行视频格式。

首先两个IP是2D滤波器和2D终止滤波器，支持3 3象素、5 5象素及7 7的象素内核大小。这两个IP专门针对FPGA体系结构进行了优化，使需要的资源达到了最优化的地步且支持图形配置。同时，在噪声降低方面有大量应用，客户可以根据自己的需求配置FIR滤波器一些参数，满足系统的一些特性功能。

色彩空间转换器支持多种的色彩空间转换，包括RGB、IQ和YUV之间不同的转换。Bayer转换主要用在CCD和CMOS传感器，支持Gamma校正，主要采用查找表的结构实现，客户只需要把Gamma校正曲线对应的值下载到查找表当中，就可以很方便地实现Gamma校正功能。

图像混合及画中画的合成支持不同特性，如支持8位、10位象素且支持OpenGL纹理标准、各种不同的数据格式。

图(略)

可支持任意比例的图像缩放，包括在垂直和水平方向任一尺寸的缩放，可选择线性和高阶内插模型的算法。在象素的分辨率上支持8位象素和10位象素的数据和图像剪切功能。

De-Interlace IP目前支持两种不同De-Interlace 技术：Bob和Weave技术。Bob技术的工作原理是丢掉一场，然后重复前一场的数据。Weave模式利用两场的结合来实现De-Interlace功能。Weave模式需要外部存储器，即帧缓存。

还 有一个IP支持不同尺寸的2D快速傅立叶变换，包括64 64，256 256，1024 1024以及定点和浮点算法。象素的输入数据支持16位象素的输入。

为帮助客户有效地利用FPGA内部资源，Altera设计了视频缓存编译器。利用该视频缓存编译器，可方便地定制行缓存。

视频和图像处理设计流程和工具

在典型的视频和成像系统中主要包括以下子模块：数据输入接口、数据输出接口、视频DSP协处理器、主处理器、RAM和DSP资源。

Altera的视频和图像开发环境主要是基于Altera的DSP Builder设计流程。客户可通过MATLAB/Simulink 进行系统仿真，然后通过DSP Builder编译成HDL语言，在Quartus II库里进行编译，实现硬件的布局布线以及RTL级仿真，最后下载到FPGA里面去，进行硬件的认证。

另外还有一个工具，叫做SOPC Builder，是系统集成工具。做好算法后，可通过DSP Builder生成一个SOPC Builder部件，在SOPC Builder里增加一些其他外设功能。工程师不需要了解太多FPGA知识，就可通过SOPC Builder工具实现系统层的设计。

硬件平台和参考设计/IP

C yclone II开发套件是基于Altera EP2C70器件设计开发的一个平台，捆绑了很多软件，如Quartus II开发软件、DSP Builder、视频输入子卡、Matlab/Simulink评估软件及OpenCore Plus评估IP。客户利用这些软件及开发平台能进行产品认证，不需要在产品开发前期做硬件平台、设计硬件PCB。

视频输入子卡包括两路视频输入、模拟视频输入、复合视频输入，支持NTSC和PAL制式。Altera还提供一个更高级复杂的基于EP2SGX90的开发平台，包括更多先进的接口、4个通道的SDI、高清的SDI通道和DVI接口及数字的音频接口。AES/EBU包括很多通用数据接口，如ASI、USB接口以及百兆、千兆以太网接口

还有一个IP供大家参考，实现标清信号到高清信号的变换，主要用到De-Interlace，色度重采样及彩色空间转换。

整个Altera DSP设计流程可支持不同的输入方式、不同的开发方法。既可通过RTL级硬件描述语言实现，也可通过MATLAB/Simulink、DSP Builder 进行系统层的开发，甚至还可利用软核的Nios II处理器实现算法的开发。DSP流程不仅针对视频应用，还针对许多其他需要DSP算法的设计应用。

除Altera自己开发的视频和图像处理库外，还有很多第三方合作伙伴，他们开发的很多IP提供给这个领域的客户使用。

成功案例

B a rco主要应用于IP广播和分配监控，客户采用Altera器件实现高性能的处理，并整合多个ASSP单芯片解决方案，提高了产品集成度。单片FPGA通过嵌入式处理器完成大量的缩放高速网络接口和控制功能。在一个器件中集成了多个元器件，提高了集成度、降低了成本、提高了可靠性。

HD硬盘的录像机同样应用于广播工业，Altera的FPGA非常容易开发，能帮助客户扩展不同宽带音视频的应用。

JPEG2000视频采集板主要应用于工业领域，通过采用Altera的器件实现低成本的视频处理、实时压缩的解决方案，且设计灵活性好，支持很多先进特性，缩短了产品的面世周期。

结束语

Altera的视频图像解决方案，有助于实现先进的功能，提供低成本、高性能的解决方案。同时，Altera提供一整套完整的可编程解决方案，包括视频和图像处理套件、视频开发套件。