想要維持HD視訊品質,需要網路的支援,並搭配跨越整個廣播基礎架構的硬體運作,在廣播基礎架構中的每一個品質降級點,都可以透過經可編程邏輯強化過的解決方案,來確保擁有最具彈性、對成本敏感的途徑,以進一步儘可能地提供最佳的HD視訊體驗。
高畫質(High-definition, HD)播送技術為戲劇、紀錄片、運動與其他的高品質電視節目帶來嶄新的視野,不過對於採購高畫質電視的大批民眾,想要吸引與滿足他們對影像品質的期待,至今仍是一大挑戰。針對廣播系統的設計師來說,這意味著必須在既有的頻寬限制之下面對想要達到更高訊號品質等級的持續壓力,並需克服產品及時上市與成本上的壓力,以及面對多種地理區域的視訊標準。
當今設計師所面對的最大障礙是稱之為「熱點」的品質降級點,將受到影響的視訊透過播送頻道傳送給觀賞者,而這種視訊來源也是加強整體視訊體驗的絕佳機會。此時,正確的設計解決方案可以提供系統設計師進一步利用設計效率與可負擔成本的額外效益,來達到跨越品質熱點的優勢,透過選擇可編程技術,這些工程師可以獲得適用於廣播基礎架構之下許多其他要點的解決方案,以維持高畫質視訊品質,讓觀賞者發出真正的讚嘆聲。
建立更佳的視訊來源
雖然相較於標準畫質(standard-definition, SD)播送已經有顯著的更佳效果,但今日的高畫質視訊仍然不夠完美,模糊現象(通常是肇因於從標準畫質訊源向上升級轉換出品質不佳的訊號)、影像不夠真實與閃爍現象僅是一部分會影響到觀賞體驗的議題,但接著便會阻礙到商業推廣的成長。要設計出夠品質的播送系統,需要絕佳的創造力,並能夠面對多種音訊/視訊格式、壓縮標準、播送方式、競爭上的成本壓力,以及設備互通性要求上的挑戰。
一般來說,消費者接收到視訊來源的時候,相較於在電影製片室所拍攝的影像原始品質,已經是大量降級的版本,目前最高解析度的現有高畫質視訊是採用1080p格式,在1080p格式下,內容將不會有交錯格式所帶來的複雜性與動態錯誤,然而,大多數的高畫質電影製片室仍是採用720p或1080i格式進行紀錄,通常是因為他們並沒有支援1080p的技術或設備,但幸運的是目前的設計師已經有一些選項可以解決與克服這些限制。
電影與電視工程師協會(Society of Motion Picture and Television Engineers, SMPTE)認可新的1080p標準,透過在電影製片室採用序列數位介面(serial digital interface, SDI)纜線,來從攝影機傳送即時視訊到視訊交換器與伺服器,排除掉頻寬議題上的障礙。透過在系統中採用現場可編程閘陣列(field programmable gate arrays, FPGA)與特定應用標準產品(applications specific standard products, ASSP)的實體層(physical layer, PHY)元件,來實現SMPTE 484M與485M標準,可以將SDI纜線的頻寬加倍,從1.485 Gbps提升到2.97 Gbps,能夠支援完全的1080p序列視訊傳輸。想要快速地開發與實現支援1080p的具彈性下一代交換器、攝影機、伺服器與其他演播設備,設計師可以採用自動偵測/自動切換的韌體,以便能夠在多種格式下取得且/或傳輸視訊。音訊/視訊開發套件可使用具收發器功能的FPGA,也可以讓採用低抖動SDI解決方案的設計處理更為順暢。
用可編程邏輯來實現與節省金錢
由於1080p格式將讓每個視訊所需處理的資料量加倍,但也讓壓縮工作變得更為複雜,然而,從1080i下的每秒60幀(fps)轉換到1080p的30 fps,不僅是維持每個視訊的資料量,也能夠擁有更佳的視訊壓縮品質。壓縮將會是重要的關鍵,將可允許採用更具成本效益的方式,來將視訊分送到頭端的訂閱點,目前的數位視訊CODEC標準是H.264(或稱為MPEG-4 Part 10),比起先前的標準只需一半的位元率,且不需犧牲品質。
然而H.264標準將會增加硬體的複雜性,除非在設計中採用FPGA,在電影製片室與頭端設備及其他常見的廣播H.264應用中,FPGA可以解決獨特的編碼需求,由於元件可以重新編程,這意味著設計師可以持續地強化品質與位元率的壓縮層級,而不需要累積大規模的非重複性工程(non-recurring engineering, NRE)成本。
ATEME是一家MPEG-4 AVC與H.264視訊壓縮解決方案的領導供應商,能夠為SD與HD數位內容提供成熟的業界最高品質的H.264高規格編碼器,ATEME公司的H.264 HD視訊編碼器使用Altera Stratix系列FPGA來壓縮視訊、音訊與輔助資料,以便有效率地進行儲存與傳送,編碼器在150 ms的延遲下可支援少於6 Mbps的位元率。
ATEME H.264/MPEG4 AVC HD編碼器主機板
在ATEME公司的編碼器中,FPGA處理對運算與記憶體需求密集的功能,像是視訊擷取與儲存、視訊預處理、點陣到圖塊轉換,以及色度轉換。有FPGA的重新編程能力,在有需要時設計師可以配合數位廣播標準或各式各樣的市場需求,來變更他們的設計。
透過突破性的向上升級轉換器來將影像銳利化
視訊縮放是在節目分送前做準備的另一個重要議題,HD廣播視訊來源通常來自於既有的SD影片資料庫,因此他們需要將其轉換為高品質的HD視訊,這些轉換後的影像長期受到品質不佳之苦。
然而,影像處理方面的專家Let It Wave公司推出突破性的Super Resolution Bandlet Upconverter,則將改變整個視野。使用低成本、低功率消耗的Altera Cyclone II FPGA,來實現創新的完全時空幾何處理,向上升級轉換器重新讓影像以史無前例的品質,來獲得高解析度與穩定的影像,對觀眾而言,這意味著可獲得無閃爍與無鋸齒的觀影感受。
有越來越多的視訊分送轉移到透過網際網路通訊協定(Internet Protocol, IP)來傳送視訊,視訊透過IP網路傳輸的限制,包括肇因於封包丟失的大型圖塊,網路視訊想要支援服務品質的標準便必須採用Pro-MPEG Code of Practice #3(CoP3)前向糾錯(forward error correction, FEC)技術,Pro-MPEG FEC技術可回復遺失的封包來提供錯誤修正,可以消除重複的封包與將封包重新排序,進而消除因網路傳輸過程所造成的錯誤,並對視訊進行加工處理。
透過FPGA來整合Pro-MPEG CoP3的解決方案將可以達到品質層次上的需求,在此同時,它也可以提供具彈性、成本效益的基礎架構,將可滿足規格變更上的需求。現有的參考設計可以讓設計流程更為順暢,透過提供立即可用、符合產業標準的設計功能,來協助讓產品上市更為快速。
另一個針對視訊傳輸強化的康莊大道來自於有效率的調變科技,現今的數位纜線系統使用正交振幅調變(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)標準,定義了輸入資料框架結構、通道FEC、濾波與QAM映射。然而,不同國家之間在QAM標準上有錯誤編碼上的差異,想要克服這些差異,設計師可以採用具有數位訊號處理(digital signal processing, DSP)強化模塊的FPGA邏輯結構來實現,這種形式的基礎架構展現出一種具彈性的實現方式,可在世界上的任何地區達到實現QAM訊號處理核心元件的途徑。
以一種相互連結的方式來達到更高的HD視訊品質
想要維持HD視訊品質,需要網路的支援,並搭配跨越整個廣播基礎架構的硬體運作,在廣播基礎架構中的每一個品質降級點,都可以透過經可編程邏輯強化過的解決方案,來確保擁有最具彈性、對成本敏感的途徑,以進一步儘可能地提供最佳的HD視訊體驗。