HDTV視頻內容創(chuàng)作的繁榮以及在帶寬受限的廣播信道環(huán)境中傳送這些視頻內容的方法，不斷催生新的視頻壓縮標準和相關視頻圖像處理設備。以前只有有線電視和衛(wèi)星電視運營商提供視頻傳送業(yè)務，現(xiàn)在電信公司也對這一領域產(chǎn)生了興趣，他們采用最新的視頻編碼/解碼器(CODEC)和視頻處理技術，并通過IPTV將數(shù)字視頻發(fā)送給用戶。

整個數(shù)字廣播基礎架構開始于電視工作室或攝影制作室的視頻內容創(chuàng)作。創(chuàng)作過程接口使用串行數(shù)據(jù)接口(SDI)將原始視頻發(fā)送到存儲設備或某些類型的非線性編輯器(NLE)，用于視頻編輯和性能增強。編輯好的視頻在編碼時再用MPEG-2、JPEG2000或H.264進行壓縮，然后通過電纜、衛(wèi)星、地面廣播或最新的IPTV技術網(wǎng)絡發(fā)送給用戶。圖1給出了一個廣播系統(tǒng)基礎架構的組成框圖。

視頻和圖像處理趨勢

許多令人興奮的新技術，如HDTV和數(shù)字影院都與視頻和圖像處理技術有關，并且這些技術還在飛速發(fā)展。圖像捕獲和顯示器分辨率的躍升、高級壓縮技術和視頻智能都是這些技術發(fā)展的源動力。

先進的壓縮技術正在全面替代以前的技術，它們有更好的流處理能力，在給定質量下有更高的壓縮率，并且延遲更短。JPEG2000在存儲和數(shù)字影院中也獲得了很好的發(fā)展，在這些新的壓縮解決方案得到實際應用之際，標準委員會還在不斷增強H.264和JPEG2000的性能。

在過去十年中，數(shù)字電視廣播中的標準清晰度電視(SDTV)一直采用的是MPEG-2標準。H.264-AVC(MPEG-4-Part10)和微軟版的VC1將最終替代MPEG-2而成為SDTV和HDTV的最佳視頻編碼方法。為了滿足目前和未來需要，廣播設備制造商必須支持各種編碼標準。除了各種核心視頻CODEC標準外，還有一些不同類型的視頻預處理和后處理算法可以用來增強整體圖像質量。

隨著分辨率和壓縮率的不斷提高，業(yè)界要求高性能同時保持架構的靈活性以實現(xiàn)快速升級。此外，隨著技術的成熟和用量的上升，要求不斷降低成本。由于可編程邏輯器件(PLD)可以為這些需求提供解決方案，因此可以在新興的數(shù)字視頻廣播基礎系統(tǒng)設備中發(fā)揮重要的作用。

圖1：廣播基礎系統(tǒng)架構示意圖

視頻內容的產(chǎn)生

視頻廣播鏈的第一環(huán)是用專業(yè)數(shù)字視頻攝像機捕捉音視頻內容。視頻可以是標清或高清。這種數(shù)字攝像機一般都有一個攝影與電視工程師協(xié)會(SMPTE)定義的SDI輸出。SDI是一種未經(jīng)壓縮的視頻流，速度可以是270Mbps(標清)、1.485Gbps(高清)或2.97Gbps(1,080p高清)。Altera公司的Stratix II GX FPGA自帶串行/解串器(SERDES)和時鐘/數(shù)據(jù)恢復(CDR)電路，可以用來處理攝像機SDI輸出口上的視頻流。

視頻預處理/后處理

北美地區(qū)使用的電視廣播標準NTSC中每個信道的帶寬為固定的6MHz，歐洲和其他地區(qū)用的PAL標準中每個信道帶寬為8MHz。這種帶寬的限制規(guī)定遠早于數(shù)字電視的出現(xiàn)時間，這種模擬帶寬限制也影響到目前數(shù)字電視的廣播標準。數(shù)字視頻質量要比傳統(tǒng)的模擬視頻好得多，數(shù)字分辨率越高，傳送或發(fā)送視頻數(shù)據(jù)所需的帶寬也越大。發(fā)送高質量視頻需要對視頻源進行預處理。

將視頻壓縮得太厲害會產(chǎn)生馬賽克噪聲或馬賽克效應，這是由于基于塊的CODEC的DCT引起的。視頻經(jīng)過預處理/后處理后，編碼器壓縮起來會更輕松，從而進一步提高圖像質量，降低發(fā)送帶寬要求。這一功能對有線、衛(wèi)星、電信和IPTV廣播商業(yè)模式來說特別重要，因為滿足高質量要求必須在很窄的帶寬約束下實現(xiàn)。一些預處理可能包括在視頻進入編碼器之前使用二維濾波技術削除某些高頻分量，從而有效地減少馬賽克噪聲。Altera公司的視頻與圖像處理套件包括二維的有限脈沖響應(FIR)和中值濾波器功能。它們提供了一種靈活高效的方法，可以利用3×3、5×5或7×7恒定系數(shù)矩陣執(zhí)行二維FIR濾波操作。因此，為了在帶寬受限環(huán)境中獲得最佳性能，預/后處理對任何視頻壓縮方法來說都是很關鍵的差異點。

視頻壓縮

下一步是在送往最終用戶之前對經(jīng)過預處理的原始視頻數(shù)據(jù)進行壓縮。從MPEG-1到MPEG-2，至今已經(jīng)有了多代壓縮標準，共有四種壓縮方法：離散余弦變換(DCT)、矢量量化(VQ)、分形壓縮(fractal compression)和離散小波變換(DWT)。

就數(shù)字電視而言，MPEG-2標準在全球范圍內占據(jù)著主導地位，數(shù)字有線、衛(wèi)星和地面廣播都在使用這種標準。隨著廣播行業(yè)趨向于更高清晰度的內容，給定的傳送帶寬在適應規(guī)定的模擬帶寬上承受著越來越大的壓力。隨著IPTV在傳統(tǒng)電信有線系統(tǒng)上的興起，用MPEG-2標準向用戶傳送視頻節(jié)目無疑不再經(jīng)濟可行。

ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC運動圖像專家組(MPEG)開始力推MPEG4-Part 10(也稱為H.264)標準。H.264可以比先前標準低得多的比特速率提供高品質的圖像質量，在復雜性方面也不會有太大的提高。另外一個目標是讓標準具有足夠的靈活性，以適應各種應用場合(包括