赛灵思All Programmable技能可谓4K视频体系规划人员的福音。相关东西、IP和参阅规划将为FPGA规划新手助一臂之力。
超高清(UHD)电视因其分辨率等级一同也被称为4K电视。这种电视现已广泛推出，并且事实证明，4K技能比3D电视更受顾客喜爱。可是，相关规范却落后于4K电视的增加趋势。美国电影电视工程师协会(SMPTE)支撑4K60视频的6 Gbps和12 Gbps SDI规范才刚刚发布;支撑相同分辨率的HDMI™ 2.0和DisplayPort接口尚处于运用的前期阶段。由于4K UHD电视的消费需求巨大，许多专案规范现已蜂拥而来，势图添补这一空白。
事实上，有关4K UHD电视的许多部分正处于不断改变的状况，因而体系必定要有满足的灵敏性来习惯发展中的规范。保证这种灵敏性的办法是将在此类规划中运用已久的传统芯片组和ASSP替换为FPGA和All Programmable片上体系，例如赛灵思Zynq®-7000 All Programmable SoC。这种处理方案不只可供给所需的灵敏性，一同还能完结与ASIC相媲美的功用水平。
一同，最新FPGA和SoC的尺度和功用也存在适当大的规划应战，特别关于不是特别拿手FPGA的工程师来说更为如此。硬件规划与FPGA完结方案之间虽有许多相似之处，可是依据FPGA的体系一般要触及更多的组件。此外，固件规划中固有的灵敏性也增加了更多杂乱性。
走运的是，赛灵思为4K电视规划人员供给了许多协助，与从头开始规划体系比较能节约许多时刻和金钱本钱。不过在具体介绍如安在4K范畴运用FPGA技能之前，咱们首要看一看4K体系怎么如此快速地变得如此受欢迎，以及任何4K体系都有必要要处理的问题。
4K的优缺点
自电视面世以来，业界一向在经过增大分辨率、帧率或图画动态规模(即所能到达的亮度)继续改进画质，完结更大、更好、更快速的视频，让图画更传神。当然，还包含完结真实的3D效果，至少更有一种感同身受的感觉。
增大分辨率能够使图画更精美，并且在更大屏幕上显现时不会让像素纹路变得显着。更大的屏幕有更强的沉溺式感触。这些改进很简略得到顾客认可，因而也就乐意在这方面花钱。经过增大帧率(更流通的动作)或动态规模(光线更亮，黑色更暗)完结的改进效果虽然很超卓，但到目前为止在招引顾客注意力方面所起到的效果比较之下并不显着。
最新4K UHD电视像素是此前广受欢迎的高清规范的四倍。对顾客来说最重要的一点是运用4K技能升级到更大尺度电视，能够享用更好的沉溺式效果，并且不会对图画质量发生任何显着影响。
但是，在开发支撑4K视频的体系时面对着许多固有技能应战。首要，高达60Hz帧率下供给的3,840 x 2,160像素的帧尺度适当于600MHz的像素率。因而，需求运用十分高功用的体系对其进行实时处理。其次，针对4K界说了不同传输装备，一切装备都触及多个数据流，有些在相同线缆上以多路复用方法传输，有些在不同线缆上传输，别的还呈现许多不同传输技能，包含：4x3G;6G-SDI和12G-SDI;HDMI 1.4和2.0，DisplayPort 1.2，以及V-by-One HS。
规划人员面对的另一个问题是任何体系不只需求处理4K规范，并且还要处理当时运用的许多或悉数视频规范(包含SD)。此外，体系有必要支撑不同规范之间的转化，会遇到许多相关问题：上/下/穿插转化、不匹配的颜色空间、颜色校对、隔行扫描与去隔行扫描以及Cadence 处理。另一个杂乱问题是在完结上转化后一般需求紧接着运用所谓“超分辨率”增强技能来抵消不可避免的图画滑润问题。
其它处理还包含降噪、裁剪和调整巨细，这些都需求实时完结。有些体系或许还需求处理高带宽数字内容维护 (HDCP)。
此外，假如想要确认播送传输的质量还需求生成恰当的眼图和颤动显现图，但相应技能在高比特率下越来越难以完结。 第一层辅佐：4K IP核
规划任何体系时的第一步都是找到可运用到规划中的现成模块。在FPGA范畴，等同于构建块便是可内置到PCB规划中的各种芯片，即IP核。因而，第一步要确认您的4K UHD规划中能够运用什么IP核。
OmniTek关于各种类型的视频体系规划而言都是很好的IP核供货源。该公司是赛灵思联盟方案的认证成员，起先作为专门从事自主开发测验丈量体系的开发商，具有丰厚的视频处理经历。这些体系需求专用硬件，因而也就需求开发专用的固件模块。固件模块现在也以IP核的方式供给。OmniTek在推出最新测验丈量体系(即新的Ultra 4K Tool Box)之后，就开宣布多种支撑4K技能的IP核，现已向第三方开发商供货。
有两种内核对4K体系规划人员来说特别有用，它们便是OmniTek的OSVP v2可扩展视频处理器(OSVP v2 Scalable Video Processor)和多通道流媒体DMA控制器(Multi-Channel Streaming DMA Controller)。这两种内核均选用ARM® AMBA® AXI4体系互联规范，都可用于赛灵思7系列FPGA和Zynq SoC。
OSVP v2的功用包含：六轴颜色校对;运动及边际自习惯去隔行(包含3:2和2:2 Film Cadence检测与处理);可经过图画锐化和滑润调整巨细和进行裁剪;以及降噪声等。图1给出了该内核的方框图。您能够在编译时刻对所包含的处理功用的选项进行装备，一同，由OSVP v2内核所履行的处理工作的更具体内容可在运转时刻内或这从软件中设置。
OSVP v2内核是套件中的一部分。该套件还包含用来兼并多个视频流的兼并器;用来发生隔行格局输出的隔行扫描器;专用穿插点;以及用来在4:4:4、4:2:2和4:2:0 YCbCr之间转化的色度重采样。(单个色度重采样能够从4:4:4转化至4:2:2，从4:2:2转化至4:2:0，从4:2:2转化至4:4:4，或从4:2:0转化至4:2:2。)
单个OSVP v2内核能处理多个视频通道。但这会遭到完结内核所用的FPGA或SoC能供给的资源，以及可用SDRAM带宽的约束。例如，您可对选用Kintex®-7 XC7K325T FPGA完结的OSVP内核进行装备以支撑八个输入，处理选用八种不同HD视频规范或八种颜色空间的视频。一同，您可对输出模块进行装备以供给16个渐进HD输出。此外，您还能够让输出模块供给单个4K通道，或许四通道组，以便一同供给Square Division(“quad”) 或双像素采样交织格局组成的4K视频。
规划杂乱4K体系时的另一个应战是对处理视频时所需的很多高带宽存储器拜访进行办理。有时候，所需的视频操作功用与视频处理模块一同供给。例如，OSVP v2内核包含一个多端口视频DMA模块，
该模块供给一个用来操作视频输入和输出的高效引擎。
但是经过PCI Express®收集和播映单通道或多通道4K60视频，需求一个DMA控制器，用于优化处理PCIe®接口传输的流式数据。OmniTek的多通道流式DMA控制器有两项功用在这里很有用。首要是依据FIFO的DMA (FDMA)，这样就无需将数据从存储器转入和转出。第二个是一系列的规划优化，使得控制器能够高效运用PCIe带宽，例如预取涣散/集合方式描述符，以及背靠背TLP数据包打包。
OmniTek针对4K UHD视频处理开发了另一个IP核，能够将双采样交织格局组成的4K视频分解成不同数据流。别的，对根本MIG SDRAM控制器进行了替换，然后进一步提高了UHD电视视频运用的功用。
可编程优势
赛灵思对依据FPGA和SoC的4K视频体系规划人员从三方面做了进一步支撑。
第一大优势在于Zynq SoC，其为高功用视频或图画处理供给了强壮的软硬件组合处理才能。Zynq SoC在单个器材中集成了功用丰厚的双核ARM Cortex™-A9处理体系以及7系列(28nm) FPGA可编程逻辑。用户既可在ARM处理器上运转处理算法，也可在需求加快时将处理使命转给FPGA硬件，完结实时运转。
Kintex-7 FPGA和Zynq SoC的可编程逻辑供给的300MHz可继续视频处理速度，结合1,600 Mbps的64位DDR3存储器功用，关于操作4K视频处理和4K帧缓冲十分重要。Zynq SoC中具有丰厚DSP功用的可编程逻辑架构为DSP规划人员供给了一个用以完结信号处理算法的高度灵敏的渠道，一同，处理器与可编程逻辑之间的严密耦合有助于开发跨过两个范畴的编解码算法。以Zynq SoC作为规划的根底能够将组件集成到单个器材中，而无需运用多个ASSP，因而能够节约功耗和本钱。
赛灵思还为4K视频体系开发供给强壮的衔接支撑，包含FPGA和SoC中的多个内置收发器，以及很多自己开发的衔接IP。例如，Zynq 7045 SoC 供给多达16个12.5Gbps收发器，并契合12G-SDI、6-GbpsHDMI 2.0、5.4-Gbps DisplayPort 1.2以及10-Gbps以太网规范。
赛灵思所做的第三个重要贡献是与Vivado®规划套件有关的IP Integrator (IPI)东西。如图2所示，有了IPI东西，衔接IP模块的使命就变得相似于在印刷电路板上衔接芯片。契合AMBA AXI4互连协议(赛灵思现已选用为接口规范)的IP块接口处理将适当简略(如衔接OmniTek OSVP和DMA模块)。
赛灵思最新UltraScale™ (16-nm/20-nm)技能的推出还将供给更强壮的功用。该技能支撑的时钟速度高达数百Gb/s，并被称为“AS%&&&&&%级”。
(如需了解更多信息，敬请拜访：china.xilinx.com/products/technology/ultrascale. html)。UltraScale架构不只支撑4K视频体系的开发，还将支撑更高的8K体系。
可供修正的现成体系
虽然IP核所供给的构建块在简化视频体系规划的创立方面发挥了很大效果，但是，假如对现成的体系进行修正，则能取得更高起点。较长时刻以来，赛灵思一向供给包含赛灵思视频与衔接IP以及来自OmniTek的IP模块的实时视频引擎(RTVE)参阅规划。这些参阅规划供给针对广泛视频运用范畴的高清晰度播送级视频处理功用。RTVE参阅规划不只展现出这些IP模块的功用性，还能展现出便利的互操作性，由于这些模块都依据AXI4互联规范而规划。
RTVE的每个新版别都会参加最新的IP模块，以扩展参阅规划功用。最新版别RTVE 3.1增加了对4K视频规范的支撑，包含SMPTE 425-5:2014、DisplayPort 1.2、6G-SDI和12G-SDI。图3给出了该规划的方框图。
RTVE 3.1规划增加了以上介绍的OmniTek内核，以及OmniTek隔行扫描器、兼并器和专用穿插点，以及赛灵思的一些要害组件。它还供给API和运用，然后可经过从依据网络的接口驱动RTVE引擎。RTVE 3.1参阅规划固件和运用软件都以源文件的方式供给给客户，既可用来演示怎么运用这些东西规划体系，也可作为开发相似体系的起点。
别的，还为客户供给RTVE 3.1的硬件渠道。该渠道包含OmniTek OZ745开发套件(依据赛灵思Zynq 7045 SoC)和FMC扩展卡。FMC增加了契合DisplayPort 1.2规范的输入和输出端口，以及两个SD/HD/3G/6G-SDI输入和输出。凭仗这些I/O端口可将所支撑的视频规范进行扩展，包含6G 4K和12G 4K;3G等级A和3G等级B Square Division/ Quad 4K;以及3G等级A和3G等级B双采样交织4K。
OmniTek的Ultra 4K Tool Box(图4)能够证明这些组件严密结合加在一同能够构建出可行的商用体系。该4K Tool Box在根本架构中包含了Omni- Tek的OZ745开发套件、FMC卡以及RTVE 3.1的固件及相关运用软件。该4K Tool Box不只供给对一切视频规范(最高4K60)的上/下和穿插转化以及相关图画校对功用，并且供给多种显现功用，包含为构成4K图画的一切数据流生成的眼图和颤动视图、色域视图和像素数据显现。
Ultra 4K Tool Box是市场上的新产品，但已招引一切4K处理范畴中的广大客户购买，例如芯片组制作、测验丈量以及播送范畴的客户。这表明整个视频职业对最新4K规范的爱好地点。
终极辅佐
除了这些东西和IP以外，OmniTek还供给咨询服务，以协助客户树立和运转4K规划。赛灵思的抢先芯片技能和软件东西，与OmniTek在视频处理和制作方面的专业知识的强强结合意味着视频体系规划人员能够在完好开发结构的根底上着手进行规划，并取得超越预期的更简洁的集成功用和更强有力的支撑。其成果便是能够将立异的高竞争力产品愈加快速地推向市场。
