採用以FPGA為基礎的創新技術 實現從廣播飛躍到「超廣播」

本文作者:admin       點擊: 2010-05-17 00:00
前言:
過去10年來,電子產業由於推出一系列令人眼花撩亂的平面電視及相關技術,也逐漸將陰極放射管電視、背投式電視乃至類比標準訊號廣播技術統統掃進了積滿灰塵的「古董」倉庫。如今,各大公司紛紛以前所未有的發展速度不斷開發出更新的TV影像技術。但是,要使客戶充分獲得此一快速發展技術的全部價值,需要能搭配完美合作的設備產業鏈,以使廣播公司和電影製片廠能將採用先進技術所製作的最新節目傳送到您家客廳和當地電影院,而且在不遠的將來,還能傳送到您的手持設備和車用系統上。

許多在廣播和電影院設備市場彼此競爭的公司很早就採用賽靈思 (Xilinx) FPGA做為其大多數廣播設備的主要邏輯IC,從超高階的攝影機到各種類型的攝影棚剪輯和訊號傳輸設備都可見其身影。如今,該市場領域的設計人員也正在全面開發以FPGA為基礎的設備,以使 1080p 廣播成為主流。設計人員甚至已開始不斷推出以FPGA為基礎的3D電視設備,使廣播公司能將具備《阿凡達》畫質的電視節目從小型電視螢幕上播放出來。若密切關注該類型市場中最大市場——電視廣播市場,您就不難發現設計人員將在整個廣播設備鏈上充分運用FPGA,以期將更精彩節目帶給消費者。

廣播101:從現場到您的螢幕
賽靈思廣播業務行銷事業群 (Broadcast Segment Marketing Group) 的市場行銷經理 Ben Ruyan 認為廣播市場的大致特點是:每個人都可以看見最終結果,但知道中間需要投入多大心血的人卻不多。要達到最終結果,需要牽涉到許多大量複雜的技術,螢幕背後還有許多工作要做。

廣播與電影院市場看似表面光鮮,但實際上競爭暗潮洶湧,屬於單位成本高而銷售量又相對小的市場。參與這一市場競爭的企業需要生產可將電視訊號傳送至用戶的最新數位電視,或者將影片傳輸至 IMAX 電影院或者用戶家庭電影院螢幕的每一種設備。Runyan指出,電影院市場往往充當最新廣播技術的早期採用者,但是,由於對高品質廣播的需求不斷增長,電視臺也以前所未有的速度引進新技術。Runyan表示:「如果您有機會參觀當地電視攝影棚或者電視網路,您就會為成堆的設備和數英里長的線纜驚歎不已。它們佔據了天花板和牆壁之間的每一寸空間。將節目傳送到電視上所需要的心血和技術水準真讓人歎為觀止。」

以現場新聞播報為例,播報記者在對準麥克風說話同時,眼睛會看著一台非常先進、價格昂貴的數位攝影機。這台攝影機以有線或者無線的方式將未經壓縮的語音原始訊號發送至現場新聞車,車上載有可擕式視訊監控和編輯設備以及無線電設備。該車上的各種設備都能夠即時執行非常簡單的訊號壓縮,然後將現場訊號或者相關的磁帶內容直接傳送至發射塔臺,或者通過衛星傳送到廣播新聞工作站。

隨後,該新聞工作站會使用多台同步合作設備,以便接收從現場發送的廣播訊號,再儲存伺服器上錄製內容,並將訊號發送至正在混合和編輯的設備上,以及控制室中的多螢幕監視器。然後,節目技術人員、編導人員和製作人員再將節目內容與其他來自外部的內容和在攝影棚中用內部攝影機錄製的內容(如現場新聞的電視新聞主播報導)串連起來,並添加螢幕文字解說或者「跑馬燈字幕」來完成整個事件的報導影片,最後產生主節目內容。

廣播人員隨後將主節目內容發送至攝影棚的傳輸設備,由傳輸設備將節目壓縮成多種編解碼器(編碼器/解碼器)標準格式,每種標準格式都能使用特定的載體進行傳輸,比如有線電視、衛星、地面以及有線廣播(針對 IP 網路電視)或者無線廣播(針對手機)。攝影棚隨後通過有線及無線運營商網路廣播這些已壓縮的頻寬,送達您的有線電視或者衛星機上盒、數位電視、PC 或者手持設備。在消費性電子產品端,上述系統將對訊號解壓縮,並進行節目播放的工作。
 
FPGA技術是廣播鏈功臣
Runyan 表示,整個廣播鏈,尤其是現場即時廣播,要求大量的高頻寬光纖與衛星資源,以及高效能視訊編輯和巨大的儲存陣列。設備必須具備相當高的可靠性,因為它必須 24X7 全天候不間斷地工作,而且不能丟失任何一個位元組的視訊資料。高傳輸量、高靈活性以及高可靠性等所有這些要求都使 FPGA 成為廣播設備製造商的理想選擇(見圖 1)。

圖 1 —— 廣播鏈上的每項技術都採用賽靈思 FPGA 技術

Runyan(見圖2)表示:「從現場攝影機,到新聞車上的設備、編輯攝影棚的編輯設備(透過交換機、路由器和多螢幕監控器),以及後期編輯設備和大型視訊伺服器存儲器,再到壓縮和傳輸設備,賽靈思 FPGA 在整個廣播鏈的每個環節上都發揮著非常重要的功能。事實上,FPGA在廣播市場早已取代 ASIC 和 ASSP 而成為現在位居領導地位的邏輯 IC。」他表示,由於這些數量繁多的高度先進設備不僅不能負擔開發ASIC的成本,同時 ASSP 也「不具備進入這個市場的基本硬體效能」。

隨著市場將在今後幾年向 1080p、3D 以及移動式廣播發展,電視廣播設備的規範將變得更加嚴格,進而對基本效能、可靠性尤其是靈活性,將提出更高要求。Runyan表示,因此FPGA的使用也更廣泛。為了有助於進一步加速創新、提高生產率,賽靈思已推出其特定設計平台 (Targeted Design Platform)策略計畫,為其最新推出的Virtex-6®及Spartan®-6系列FPGA提供支援。

具體來說,已發布的Virtex-6 FPGA廣播連接套件將有助於設備製造商在市場上佔據明顯優勢。

Runyan認為:「運用特定設計平台,客戶就能將更多精力集中在產品的差異化開發上,而不必完全從頭開始進行系統開發。我們擁有各種專門為客戶量身訂做的廣播專用平台,能幫助企業開發具有眾多優異特性的傳輸與調變設備,如先進的音訊、視訊和網路連接能力、即時HD視訊處理、多通道專業編碼與解碼以及高速數位訊號處理等。」

電視廣播技術最關鍵發展趨勢:1080p

作為 DIS Consulting Corp(Strategy Analytics 公司的廣播分析合作夥伴)的CEO兼首席分析師,Douglas I. Sheer是一位在廣播業界奮鬥40年的資深專業人士。他認為,當今廣播業界之所以發展如此迅速,原因在於很多人在過去 25 年裏為各種標準打了大大小小、不計其數的「仗」,終於為數位電視時代的到來先鋪平道路。Sheer表示:「這使企業能夠開發出最新型的廣播 —— 音訊和視訊,並以各種不斷成長的方式將它們提供給我們。最不尋常的是 IT 和傳統廣播業界的融合,很多人使用電腦,甚至使用手持裝置看節目。這就是全國廣播業界協會 (National Association of Broadcasters) 所謂的”超廣播 (Broader-cast)”。」 

如今,為了支援1080p解析度、全HD和無線視訊廣播,大多數電視廣播公司在升級或新建攝影棚時都紛紛採用3Gbps技術。

大約 8 年前,在業界中的大部分公司還在為HD發展策略爭論不休時,像ESPN等電視廣播公司,就大膽地投入數百萬美元購置傳輸設備,打造全數位化的 720p HDTV 攝影棚。但是,也有很多其他電視廣播公司抱著老舊設備不放,能拖就拖。

Runyan表示,北美乃至世界各地的市場紛紛出現向數位化廣播升級的趨勢,這部分原因在於政府政策。在美國,許多曾經拒絕採用720p技術的公司乾脆跳過720p技術,直接構建或升級能夠支援1080p HD廣播的攝影棚。

Runyan 說:「這個動作可不是什麼小事,就算對最早採用 720p 技術的公司來說也是如此。720p 逐行掃描格式所使用HD串列數位介面的資料速率約為 1.5Gps,而每秒60幀的1080p 圖像要求的資料速率為大約3Gbps。這是720p使用的位元傳輸率和頻寬的兩倍,因為您需要兩倍的資料量。」

他說,許多人隨意使用「HD」二字,並說:「在家電商店裏,他們可能看不出電視解析度有什麼變化。不過從廣播設備的先進程度來說,720p與1080p之間的差異就不可同日而語了。」

分析師Sheer表示,在過去10年中,大多數廣播公司被迫朝著HD方向首次邁出一大步,投入大量資金購買和安裝數位傳輸設備,而現在,由於大多數消費者將其電視升級為價格更為合理的1080p HD電視,它們又得緊跟著開始購置3Gbps設備來支援 1080p。Sheer表示:「這背後就像是場拔河比賽。1080p的消費性電視市場興起於這次衰退前,並在這次衰退中走向疲軟,然後在經濟形勢回暖變好後又有所恢復。大多數廣播公司認為1080p是消費性電子產品市場的發展方向,所以它們現在又開始為此採購設備。」
 
圖 2 – 賽靈思透過特定設計平台不斷向廣播技術創新者提供支援技術。

Runyan指出,根據1080p需要的資料速率,廣播攝影棚和整個電視鏈的每台設備都需要更高的頻寬和某種程度上的硬體編程能力,才能滿足新功能所需和應對業界可能對編解碼器標準進行的任何更改。

Runyan 表示:「對於大多數廣播公司來說,轉向1080p意味著巨額的資本投入。部分廣播公司已經使用相同的設備長達20年之久,現在他們不得不轉向新的設備。在某些情況下,這些公司這樣做的原因僅僅在於其陳舊設備已經無人提供支援。」

例如,攝影棚會聘用幾名廣播品質專家來監控每道視訊的傳送,觀察其品質狀況。在過去,這些專家一直使用超高階的CRT電視機,但如今已沒有人生產它們了。所以廣播公司不得不轉向新的平面電視。Runyan 說:「這些專家的眼睛能夠分辨每個物體、每種顏色和每處陰影。他們一直爭論不休的是,到底那種平面電視——LCD、電漿(plasma)還是OLED,以及哪個牌子的平面電視最適合做攝影棚等級的監視器。」 

Runyan表示,在向1080p過渡的過程中,廣播設備主要將使用最新的H.264/MPEG-4 AVC編解碼器標準,但仍將支援MEPG-2及其他原有標準。H.264/MPEG-4 AVC 編解碼器與藍光和超HD視訊流具有很強相關性。如同大多數新興的視訊規範,H.264/AVC 也是一種多方參與的標準。現在其基本特性已經得到全面的定義,不過這項標準還在不斷演進發展出新的衍生版本,例如針對3D廣播的可擴展視訊編解碼器(SVC)和多視角編解碼器(MVC)。隨著廣播公司更為廣泛地使用MPEG-4,並發掘出更多能快速可靠地實現HD和3D廣播所需的功能性,該項標準將會獲得更加穩固的發展。

Runyan表示:「由於設備廠商會一直努力改善視訊品質,這些編解碼器往往處於一邊使用、一邊發展的狀態。部分編解碼器可能會有所更改,這也是為什麼 FPGA 一直是且仍將是此一市場最佳首選的原因。採用以FPGA為基礎的系統,廣播公司可以根據需求的變化、隨著標準演進,對應進行新功能的增加。如果某種編解碼器發生變化,通常來說需要對應改變的不會只是一台設備,而是大多數。」 他表示,「即便客戶攝影棚中的設備早已安裝到位」,賽靈思及其智財(IP)合作夥伴提供的編解碼器IP產品組合也能幫助客戶迅速地在其產品中增加新的編解碼器功能。

Sheer 表示,1080p 僅僅是3Gbps資料速率設備能夠實現眾多新技術成果的一種。他表示:「所有這一切的時機選擇會比較關鍵。究竟什麼時候對1080p的需求會到達巔峰,或何種格式最終會成為應用最廣泛的標準,仍是懸而未決。」不過拜3Gbps設備所賜,人們也可以在移動設備和轎車中觀看電視播送節目了。

Sheer 表示:「今天的移動廣播還不夠理想,不過資料速率提高以後則可能會達到理想水準。」看上去,隨著手持設備的計算功能和連接能力不斷增強,再加上消費者對在筆記型電腦上觀看廣播節目的需求,無線廣播技術將不斷發展。 

下一個大市場:3D 電視
除了生產1080p廣播電視所需設備,廣播設備製造商仍不斷推出可使廣播公司將更精彩3D 電視節目送到千萬收視戶的設備。Sheer與Runyan都提到,廣播公司具備3D節目的廣播能力已有數十年之久,但畫質卻差強人意。現在,新一代的HD 3D也已問世,近年來消費者已經能在電影院中親身體驗,並將很快走入一般家庭。在今年拉斯維加斯國際消費類電子產品展 (Consumer Electronics Show) 上,已經有多家廠商推出3D電視。有些需要觀眾佩戴3D眼鏡,有些則不需要。

Runyan表示,走向「3D電視將使節目製作人員能夠為觀眾提供前所未有的優質服務。他們不僅能夠提供數位電視、HD電視、3D有線電視或者衛星電視套裝節目,而且還可實現節目點播。您既能觀賞3D電影,同時還可觀看足球以及棒球比賽等現場賽事。」其實目前英國廣播公司已經開始測試現場3D播報方式,並計畫在2010年世界盃賽程中進行更為廣泛的應用。

Runyan表示,對於那些已經安裝配備1080p攝影棚設備的廣播公司,轉向3D播報是一項花費心血相對較少,但卻極其重要的升級工作。要進行3D電視訊號的播報工作,業界需要採用新的H.264編解碼器技術和MVC,才能應對3D電視所需的多點攝製帶來的頻寬增加。這就意味著攝影棚設備必須能支援這一功能性和更龐大的資料傳輸量。

Runyan表示:「攝影棚的設備需要更尖端的技術,至少他們需要能夠同時處理兩通道輸入訊號:一道以2D播報,以及一道以3D播報。有些情況下,廣播公司會採用後置編輯設備來將常規的2D節目轉換為3D節目。更為先進的方式是用3D攝影機攝製節目,這是電影製片廠沿用很多年的方式,也是詹姆士卡麥隆拍攝他曠世鉅作《阿凡達》所採用的方式,然後再從影片內容中再產生2D的HD版本。」

目前大部分這種3D技術尚未接受全面的現場檢驗。許多人對3D電視如果不戴眼鏡,亮度是否足夠,以及觀眾是否有興趣天天晚上都戴著3D眼鏡心存疑慮。

Sheer認為,一旦市場決定那些行得通,那些行不通,3D電視就會很快進行調整。他說:「人人都記得在電影院裏戴著紙片形狀眼鏡看電影的經驗,不過這一代的立體3D技術已經好很多。它也得到好萊塢眾多人士的支持,而且已經用在體育賽事的現場播報中。其中最重要的因素可能是它能夠趕上HD的潮流。」實際上,「HD足足花了25年時間才走向成熟,不過我們認為3D花的時間要少得多,因為HD在大部分的基礎架構上已經打下了基礎。」

就Sheer的觀點而言,能夠引領3D電視市場的將是能夠播放源源不斷來自電影業界立體3D 電影的3D藍光DVD播放機。而在它們之後,就是3D電視走入千萬收視戶之時。Sheer表示:「以3D方式觀看現場體育賽事的誘惑,實在是擋也擋不住。」

超越1080p與3D電視
人們可能會覺得,隨著1080p電視廣播在世界各地開始普遍發展,3D技術在電影院中獲得廣泛應用,並迅速成為主流電視技術,廣播技術的發展步伐可能會放緩,因為整個業界都會停下來歇口氣。但顯然事實並非如此。

Runyan表示,已經有企業展示「超HD電視」攝影機,能夠拍攝令人驚豔的7,680 x 4,320 畫素解析度的影像,這是目前HD電視解析度的16倍。所需的位元傳輸率如此之高,以至於現在這種攝影機每天只能拍攝20分鐘影像。不過,隨著電子技術的進步和編解碼器的深入發展,在不久的將來,超HD電視等級的視訊品質毫無疑問會成為主流。您覺得呢?

Runyan表示:「如果業界能夠實現超HD電視的位元傳輸率,我們的電視和電影院將會與現今技術大大不同。實際上,這種位元匯流已經大到足夠支援真實的全像投影。試想一下,您可以從任何角度觀看全像投影的現場體育賽事。放大率至少是1080p,與我們今天在最頂尖的商品化電視上所看到的幾乎一樣。」

屆時,我們可能也不會在電視上觀看節目,而是使用一種全新的全像投影設備,當然到時候會由賽靈思FPGA來提供所需的強大動力。

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