作者 林文富 刘伟俭 广东威创视讯科技股份有限公司(广州 广东 510000)
*基金项目：2014年产学研专项项目，支撑小距离LED显现的多屏实时处理器体系的研制(编号：2014Y2-00211)
林文富(1982-)，男，硕士，中级电子工程师，研讨方向：视频处理;刘伟俭，男，博士，中级电子工程师，研讨方向：视频处理及显现技能。
摘要：跟着视频技能的不断开展，分辨率从480P开展到1080P;当咱们还没有彻底意识到4K电视将统一天下的时分， 2016年8月，里约奥运会现已开端了8K的直播。8K视频要求需求处理每帧约33M像素的数据量，海量的数据处理为现在的视频处理体系带来了一个十分大的应战。在现在的大屏幕拼墙范畴，从视频收集到视频传输与处理各个环节来看，现在的视频处理渠道均无法满意。因而，本文针对现在的8K带宽进行剖析，规划了一个全新的8K视频处理渠道，使得8K视频能够在大屏幕拼接范畴得到广泛使用。
导言
8K的规范早在几年前就现已建立，8K的视频源随后也逐渐呈现。2012年8月23日，联合国旗下的世界电讯联盟(International Telecommunication Union – ITU)经过了以日本NHK电视台所主张的7680×4320解像度[2]作为世界的8K超高画质电视(Super Hi-Vision – SHV)规范;2013年，日本NHK制造电影《珍馐美味》，运用8K分辨率(7680×4320)拍照、制造和放映，清晰度是1080p的16倍，在未经紧缩的情况下，8K视频(24fps)每秒的容量即可抵达1GB;2015年，NHK选用8K技能直播加拿大女足世界杯;2016年8月5日，第31届夏日奥林匹克运动会在巴西的里约热内卢举办，8K直播是一个亮点。
跟着规范的建立，8K摄像机开展也十分敏捷。2012年，NHK推出的的Super Hi-Vision视频收集摄像机，体积较大;2013年今后的Super Hi-Vision视频收集摄像机则细巧便携许多。Sony F65RS即为现在市场上的一款8K摄像机。Panavision 2016年6月正式发布DXL。 Panavision DXL号称是最完好的开麦拉体系，配有一个35.5兆像素的8K CMOS传感器，能够以最高60 fps录制8K视频。
8K带来的图画作用是十分传神的，能够带来逾越传统广电画质的精密感，一起，8K的五颜六色复原度抵达75.8%，能够看到4K和1080p里看不到的颜色。可是，在8K视频处理方面，由于其巨大的数据量，存在很大的问题。以8K视频24帧为例，假如每位色深抵达6bit，处理单路8K的数据带宽需求高达14.3Gbps。在现在的拼墙范畴，能处理单路的最大分辨率只能抵达4K，尚无专业处理器能处理8K的分辨率。如此巨大的数据量，在视频收集端，需求有专用的芯片来收集;在进行数据传输时分，也需求针对如此高的带宽专门规划数据传输通道来进行传输[3];视频处理这块，现在还没有专门芯片来进行8K视频的叠加、缩放等处理。针对这些现状，在大屏处理范畴对这些问题都是一个很大的应战。
1 8K视频处理体系结构和作业原理
8K视频处理体系的困难首要在于带宽这块，因而，依据现在的芯片处理水平，规划其处理体系的首要思路是对视频进行切开处理。一路8K视频，终究经过视频处理器后，输出16路1080p的视频。作业原理首要是经过索喜的8K解码芯片将码流变成4路HDMI2.0输出，4路HDMI2.0终究分解成16路1080p视频在拼接墙上显现。具体的视频处理框图如图2所示。每个HDMI2.0相当于一个4K的视频，8K相当于4个4K视频的组合。HDMI2.0的码流出来后，经过高速的FPGA芯片，解码HDMI2.0后，将每路的HDMI2.0信号再次分解成4路1080p的视频流，便利后续高速信号传输与处理。在高速逻辑芯片内将2路1080P视频进行数据串行化传输，每对serdes对的速率高达6.25Gbps。针对大屏幕拼墙的特别使用，每对高速serdes对还进入一个高速穿插模块，该模块首要功用是对视频信号进行调度，相似矩阵功用，满意拼接显现的需求。串行化视频经过传输途径抵达后端的FPGA芯片后，在芯片内进行解串处理，一起，以1080p为单位在逻辑内部做视频处理，包含叠加、缩放、图画增强和旋转等，处理完毕后，输出到TMDS编码芯片SII1164。终究，sII1164以DVI的方法输出视频到拼接墙。
在具体的处理器体系里，图2中功用模块会分到几个板块里完结，别离是8K信号收集板、高速信号交流板和信号输出处理板。其间，8K信号收集板完结8K信号的解码、切开与serdes发送功用，交流板完结高速信号的穿插分发功用，信号输出处理板完结信号的解串、视频处理与输出功用。
2 8K视频信号处理
整个体系规划的关键在于8K视频信号的处理。截止到现在为止，由于8K的规范没有十分清晰，相应的视频处理芯片厂家也在张望，所以，相关的8K视频处理芯片十分少。如现在SiI9779、SiI9630等厂家宣扬支撑8K，可是终究也没有推出该功用。现在主推8K技能的是日本NHK，其估计在2020年的东京奥运会上进行8K直播。富士通株式会社与松下电器工业株式会社对两家公司的体系LSI事务进行兼并，建立索喜科技有限公司(Socionext)。新品牌表现了公司的中心事务在于SoC及具有竞赛优势的Imaging(视频和成像范畴)和OpticalTransport Network(光纤通讯网络范畴)技能范畴含义。Socionext在2016年推出一款单芯片8K处理芯片SCH801A。SCH801A与日本超高清卫星广播HEVC编码的规范ARIB STD-B32榜首部分共同，能够单芯片单通道解码8K 60P，其装备一个PCI Express二代插槽，4路HDMI 2.0 Tx外部接口。8K的视频码流经过前端芯片SCH801A解码后，输出4路HMDI2.0的视频信号。从带宽上来看，HDMI2.0的最高带宽高达18Gbps，4个通道加起来带宽可达72Gbps，满足传输一路8K的视频信号。
在本规划中是选用高速FPGA进行HDMI2.0信号的解码，经过HDMI的解码模块来将规范的HDMI信号转化为并行的data数据。具体HDMI的解码模块规划框图如图3。TMDS数据进入Deskew模块进行数据的从头对齐与重排;数据进入TMDS decoder模块，从模块中别离出video data与AUX data。视频数据进入视频采样模块，别离出clk、HS、VS和video data。辅佐数据进入Auxiliary Packet Capture模块，别离出操控数据包和音频数据等。视频数据别离出后，为了便利在拼墙处理器中进行数据传输，在经过FPGA的并串转化模块时，转为串行数据进行传输。每对HDMI的信号经过2对高速的serdes信号进行传输，便利视频调度模块进行调度。
3 视频调度模块
在该模块中，首要是视频信号调度、时钟处理模块、通讯模块、CPU体系模块等为各个模块事务操控的中心。视频信号穿插调度模块选用高速串行空分交流技能，调度高速串行数据信号，传输该高速串行数据信号。依据预订的输入端口与输出端口的对应联系，将各输入的高速串行数据信号经过相应的端口输出，传输到相应的视频处理模块中。
时钟处理模块用来发生参阅时钟信号，并将所生成的参阅时钟信号供给给各个8K视频模块、各个视频信号处理模块、信号扩展交流渠道等。8K视频模块、视频信号处理模块及信号扩展交流渠道等在本单板供给的体系参阅时钟的同步下，别离发生用于本模块高速串行处理事务所需的模块时钟。
CPU体系模块还担任各个8K视频模块及视频信号处理模块等体系操控，各个模块与主控穿插板之间的通讯方法选用以太网方法进行信息交流，一起，各模块间在以太网通讯反常时，能够切换到备份通道中进行体系操控，进步体系可靠性。
4 视频处理模块
视频信号处理模块对视频信号调度后的高速串行信号进行解串行化、切开、缩放、叠加等处理，终究输出处理后的图画信号。
经过图画信号收集模块对信号的串行化处理和主控穿插模块的调度，在视频信号处理模块的输入端口可获得恣意需求的输入信号，输入的信号是高速的串行信号，有必要进行解串后才干进行信号之后的处理。解串行化是串行化的逆向进程。输入信号的分辨率与所需显现的窗口巨细一般都是不相同的，从解串行化模块复原出的图画有必要进行缩放处理，一起，显现的窗口或许跨多个显现单元，每个单元只显现一部分，经过切开截取所需的图画数据，并进行相应的缩放处理。终究，由输出驱动部分完结叠加后的图画信号转化成规范的16路DVI信号输出。
5 定论
本文针对现在在拼墙范畴8K视频遇到的一些问题和技能瓶颈进行了具体的剖析，提出了一种8K视频处理器渠道的规划计划。规划计划选用了索喜的8K解码芯片，把超高分辨率的视频分解成4路HDMI信号，并经过FPGA把4路的HDMI进行再次解码剖析，终究，经过视频处理输出到大屏幕拼墙使用显现。该体系计划在笔者规划的处理器样机原型中得到实践使用和时刻验证，运转作用杰出，并大大进步了屏幕的画面精密度，具有很高的实用价值。
参阅文献：
[1]覃意志,韦安明,张韬.超高清电视关键技能探析[J].Content Production & Broadcasting,2013,05.
[2]邹霁.大尺度超高清晰度等离子显现器的研制及运用[J].电视技能,2012,36(20).
[3]李远东,凌明伟.8K超高清电视广播的大容量无线传输技能总述[J].电视技能，2014,38(16).
[4]唐成基,贾智强,李桂兰. H.265紧缩技能在广电网络中的使用[M].我国广电技能文萃, 2015,1.
本文来源于《电子产品世界》2017年第7期第40页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
