《电子技术应用》

Intel:面向视频时代的“芯”动力

2018/8/10 16:17:45

  

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英特尔? FPGA芯片助力智微智能推出多款高性能视频采集卡

  “智微智能旨在通过提供高质量的软、硬件解决方案帮助用户打造优质的视频会议系统、教育录播、广播系统等产品。优秀的视频系统离不开高效率的视频采集设备,通过引入英特尔多款先进的FPGA芯片,我们的多路、单路视频采集卡在视频处理能力、部署便捷性、稳定性以及有效降低TCO等多个方面都得到用户肯定,赢得市场的一致好评。”

  吴永波

  FPGA 项目总监

  智微智能

  今天的视频服务已不再仅是一种娱乐形式,它早已渗入人们生活的方方面面。从安防监控到工业机器视觉,从教育录播到远程视频会议,视频服务正以不同形式推动着人们生产生活效率的提升。随着我国在教育信息化、智慧城市、平安城市等方向上不断加大推进力度, 越来越多的视频服务应用场景正站上风口,迎来高速发展的机遇。

  优秀的视频服务离不开强大的视频系统作为坚实后盾。作为视频处理系统的入口,视频采集卡工作效能的强弱无疑将直接决定整个视频服务的水准。成立于2011年的深圳市智微智能科技开发有限公司(以下简称“智微智能*”)是国内智能设备解决方案市场的开拓者和领航者,其长期专注于智慧教育、智慧商显、智能办公系统、公共安全等方面的研究和开发。尤其在智慧视频领域,智微智能为行业用户提供了一系列极具竞争力的核心解决方案, 帮助其提高生产运营效率,推动视频服务设备市场向着智能化方向全面发展。

  新的机遇带来新的挑战,高清视频、多路视频采集等新需求的出现,让传统视频采集卡承受起巨大的压力,无论是采用软压缩模式还是硬压缩模式,传统视频采集卡在处理能力, 系统效率和拥有总成本(Total Cost of Ownership, TCO)等方面都凸显短板,无法满足视频服务市场高速发展的需求,亟需一种新的解决方案来有效解决。

  现在,智微智能与信息科技行业巨擘英特尔开展紧密合作,引入最新的英特尔? 现场可编程门阵列(英特尔? FPGA)系列产品,与英特尔处理器产品紧密结合,推出多款高性能视频采集卡。这一系列拥有单路或多路SDI高清视频采集能力的视频采集卡,在精品录播、校园电台(虚拟演播厅)、智能会议系统、Mini KTV等多个应用场景的实际部署中表现出卓越的性能,赢得用户的一致好评。

  新方案主要引入了英特尔? Arria? 10 FPGA 和英特尔? Cyclone? IV FPGA两款芯片产品。前者是基于20纳米制程构建的系统级芯片(System-on-a-Chip,SoC)设计,最多可达百万个的逻辑单元(LE),配合英特尔? Enpirion? PowerSoC系统为其提供了更小的封装体积、更强大的处理性能及更高的安全可靠性,同时可编程功耗技术、低静态功耗等节能技术的引入,也使其比前一代FPGA和SoC产品降低了40%的功耗视频采集卡的新主角

  视频采集卡是视频系统的核心模块,来自前端(摄像头,摄像机等)的视频图像模拟信号首先将经由输入接口进入视频采集卡,并在这里完成信号采集、量化,转化为数字信号,然后压缩编码成常见的视频编码格式,例如AV、MPEG等,最后,这些压缩后的视频流将通过输出端口传送到后台。传统上,视频采集卡利用主机处理器(软压缩技术)或者专用硬件设备(硬压缩方式)对视频进行转换、编码和压缩处理。

  但随着视频系统的日趋复杂,尤其是高清视频、多路交互式视频场景的逐渐普及,以及用户对于快速部署、快速迭代的需求,这两类传统处理模式都逐渐显现出不足。首先,在软压缩技术中,视频采集卡会将视频传送到主机处理器中进行处理。一方面,频繁的高带宽视频传输会消耗大量的系统资源以及处理器处理能力,造成系统整体性能的下降;另一方面,众所周知,视频处理过程中所需的主要是浮点计算,而通用处理器在此类计算上性能并不占优, 不能发挥其全部效能。而在硬压缩技术中,由于需要在视频采集卡中部署专门的数字信号处理(Digital Signal Process,DSP)芯片,这类芯片往往价格高昂,而且一旦用户需求发生变化,系统也需要同步更换芯片,还需重新对视频采集卡的整体架构进行调整, 产品研发时间长,到位慢,无法满足快速响应的需求。

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  为使视频采集卡具备更好的性价比及快速反应能力,智微智能提出了一种全新基于FPGA芯片的视频采集方案。FPGA是一种半导体 集成电路,其可以通过修改内部逻辑块和连接来实现功能的变化, 因此,即便在用户现场,工程师也可通过定制设备内的逻辑功能来加速关键工作负载。与传统专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)或通用处理器相比,FPGA在灵活性、部署速度、集成能力以及降低TCO等方面都有着更好的表现。

  “FPGA的最大优势在于灵活,它就是一盒积木一样,可以根据用户的需求随心所欲的进行组合,虽然FPGA的逻辑结构与通用处理器相比远远来的简单,但通过对其处理逻辑模块的不断累加,在一些特定计算场景,例如在以浮点计算为主的视频处理过程中,FPGA可以表现出比通用处理器更为强大的处理性能。以英特尔? Arria? 10 FPGA为例,其DSP性能最高可达1,500 GFLOPS(每秒十亿次浮点运算数)。”智微智能FPGA项目总监吴永波这样说道。

  多路视频铸就更立体的教育直播

  数字化教育的浪潮让视频系统在教育行业的应用中大显身手。通过精品录播、校园电台(虚拟演播厅)等应用场景,视频系统正帮助广大师生进行更多更有效率的教学模式创新。利用精品录播系统,可以实现优秀教师同时给多个班级上课,也能实现多个班级同时互动交流,从而让优秀的教育资源得以共享,获得优势教育的均衡发展。

  智微智能校园录播方案集合学生全景摄像头、教师跟踪摄像头、录播主机、电子白板、拾音器以及服务器等软硬件产品,以实现高性价比的高品质课程录制和实时远程交互式教学。但频繁的视频交互也意味着需要采集多路视频予以支持。在传统的多路视频采集方案中,这需要给录播主机配备多块视频采集卡,造成系统复杂度骤升且成本高昂,多块采集卡在同一主机中进行工作也存在互相干扰的问题。在智微智能的新方案中,录播主机配备了全新的智微智能4路SDI FPGA视频采集卡IFPGA01,来支撑多路视频的高效采集。

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  智微IFPGA01多路视频采集卡采用了1路高清多媒体接口(High Definition Multimedia Interface,HDMI)+4路3G串行数字接口(3-Gbps Serial Digital Interface,3G-SDI)的视频输入设置,多路输入让一张采集卡同时具备了多张采集卡的能力,为用户降低了部署复杂度和成本。HDMI接口和3G-SDI接口都是颇受人们关注的高清视频接口,尤其是3G-SDI,其高达2.97Gbps的传输速率可以高速无损地传输超高清数字视频,逐渐成为各类视频系统进行视频采集的首选。

  高带宽意味着海量数据,尤其是当5路超高清视频数据被同时采集时,会给视频采集卡的核心处理能力带来极大挑战。这不仅要对每秒数G比特的数据进行快速处理、编码和压缩,同时还要保证各路信号之间不会发生串扰。为此,智微智能在其多路视频采集卡中引入英特尔? Arria? 10 FPGA,专门负

  高带宽意味着海量数据,尤其是当5路超高清视频数据被同时采集时,会给视频采集卡的核心处理能力带来极大挑战。这不仅要对每秒数G比特的数据进行快速处理、编码和压缩,同时还要保证各路信号之间不会发生串扰。为此,智微智能在其多路视频采集卡中引入英特尔? Arria? 10 FPGA,专门负责多路高清视频数据的处理。

  英特尔? Arria? 10 FPGA是基于20纳米构建的SoC芯片,具有1.5GHz双核硬核处理器系统(HPS),其具有性能卓越的2,400 Mbps DDR4 SDRAM存储器接口,支持25.78 Gbps带宽处理能力,并拥有96个收发器通路,串行带宽可达3.3 Tbps。一项测试表明:与同样基于20纳米技术构建的FPGA竞品相比,英特尔? Arria? 10 FPGA的内核性能可高出10% - 20%左右。打造更顺畅的智能会议系统

  远程会议系统是视频服务的另一个重要阵地,利用电子白板、液晶屏及周边的摄像头、音响、麦克风等设备,可以实现简单、快速、互动分享的远程会议,节省运营成本,提高企业运作效率。

  在远程会议系统中,视频采集卡的性能优劣也将直接影响到整个会议系统的支撑能力,尤其在企业的重要会议上,任何视频延迟、卡顿都会影响会议的流畅进行,因此智微智能也引入英特尔? FPGA 芯片来保证整个视频采集卡的工作效能。

  智微智能新的会议主机方案基于英特尔? 开放式可插拔规范(Open Pluggable  Specification,OPS)构建,并搭载性能卓越并搭载性能卓越的基于X86架构的英特尔处理器,提供强大的处理能力。搭载两颗英特尔? Cyclone? IV GX FPGA芯片,并具备高清

  SDI视频输入接口和HDMI IN两路接口。高清SDI用于接入高清摄像头,其高带宽处理能力可以每秒30帧的速度采集1080p格式视频, 与传统USB视频接口相较,拥有高清SDI接口方案的视频采集卡能够实现更远距离的视频接驳与传输;而HDMI IN则可以连接电脑,将电脑中播放的会议材料、数据汇集起来。经两颗FPGA芯片处理的视频流,数据都通过PCIE接口接入主机,实现完整的会议视频。

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  通过智微智能视频会议系统的部署,与会者可以实时获得对方的视频和电脑画面,一方的用户可以将会议中另一方用户的全景或发言人画面予以实时展现,同时还能将对方笔记本电脑桌面或其他设备上的内容实时显示,这样的显示方式可以让本地与会者有更好的参与感和更高的效率。

  英特尔? Cyclone? IV FPGA芯片的加入让视频会议系统具备了强大的视频处理、编码和压缩能力,为使用者提供了良好的使用体验。其具有8个集成3.125 Gbps收发器,成熟的GX收发器技术让这款

  FPGA芯片具有出众的抖动性能并能保持良好的信号完整性,使其在保证会议视频的连续性和高质量方面可圈可点。同时该芯片产品具备的杰出功耗设计,能让用户有能力开发功耗不到1.5瓦的PCI Express至千兆以太网桥接应用。

  现在,智微智能单路、多路 SDI 视频采集卡已与其在智慧教育、智能会议、智慧城市等多个方向上的产品形态相结合,并在大量的用户场景中实际部署。来自用户的实际反馈表明,新一代的智微智能视频采集卡无论是在视频采集、处理、编码、压缩效率上,还是在部署便捷性,稳定性等方面都表现卓越,达到了用户的预期目标。在未来,智微智能还将与英特尔一起,继续开展进一步的深层次技术交流与合作,将更多更先进的视频处理技术与方案融入产品之中, 为终端用户打造第一流的高清视频体验。

  经验:

  与通用处理器相比,FPGA在以浮点计算为主的视频处理中更占优势且具有成本优势,因此部署英特尔? FPGA芯片的视频采集卡比传统软解压、硬解压模式具有更高的工作效率,同时还能有效降低用户的TCO。

  用户需求的复杂化使多路视频采集已成为视频系统的流行趋势,智微智能多路视频采集卡可以同时采集多路高清视频信号且互不干扰,以一块卡的能力承担起传统多块视频采集卡的功能,在视频录播等需要多方视频的场景中具有广阔的应用前景。


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