英特爾? FPGA芯片助力智微智能推出多款高性能視頻采集卡

　　“智微智能旨在通過提供高質量的軟、硬件解決方案幫助用戶打造優質的視頻會議系統、教育錄播、廣播系統等產品。優秀的視頻系統離不開高效率的視頻采集設備，通過引入英特爾多款先進的FPGA芯片，我們的多路、單路視頻采集卡在視頻處理能力、部署便捷性、穩定性以及有效降低TCO等多個方面都得到用戶肯定，贏得市場的一致好評?！?/p>

　　吳永波

　　FPGA 項目總監

　　智微智能

　　今天的視頻服務已不再僅是一種娛樂形式，它早已滲入人們生活的方方面面。從安防監控到工業機器視覺，從教育錄播到遠程視頻會議，視頻服務正以不同形式推動著人們生產生活效率的提升。隨著我國在教育信息化、智慧城市、平安城市等方向上不斷加大推進力度， 越來越多的視頻服務應用場景正站上風口，迎來高速發展的機遇。

　　優秀的視頻服務離不開強大的視頻系統作為堅實后盾。作為視頻處理系統的入口，視頻采集卡工作效能的強弱無疑將直接決定整個視頻服務的水準。成立于2011年的深圳市智微智能科技開發有限公司（以下簡稱“智微智能*”）是國內智能設備解決方案市場的開拓者和領航者，其長期專注于智慧教育、智慧商顯、智能辦公系統、公共安全等方面的研究和開發。尤其在智慧視頻領域，智微智能為行業用戶提供了一系列極具競爭力的核心解決方案， 幫助其提高生產運營效率，推動視頻服務設備市場向著智能化方向全面發展。

　　新的機遇帶來新的挑戰，高清視頻、多路視頻采集等新需求的出現，讓傳統視頻采集卡承受起巨大的壓力，無論是采用軟壓縮模式還是硬壓縮模式，傳統視頻采集卡在處理能力， 系統效率和擁有總成本（Total Cost of Ownership, TCO）等方面都凸顯短板，無法滿足視頻服務市場高速發展的需求，亟需一種新的解決方案來有效解決。

　　現在，智微智能與信息科技行業巨擘英特爾開展緊密合作，引入最新的英特爾? 現場可編程門陣列（英特爾? FPGA）系列產品，與英特爾處理器產品緊密結合，推出多款高性能視頻采集卡。這一系列擁有單路或多路SDI高清視頻采集能力的視頻采集卡，在精品錄播、校園電臺（虛擬演播廳）、智能會議系統、Mini KTV等多個應用場景的實際部署中表現出卓越的性能，贏得用戶的一致好評。

　　新方案主要引入了英特爾? Arria? 10 FPGA 和英特爾? Cyclone? IV FPGA兩款芯片產品。前者是基于20納米制程構建的系統級芯片（System-on-a-Chip，SoC）設計，最多可達百萬個的邏輯單元(LE)，配合英特爾? Enpirion? PowerSoC系統為其提供了更小的封裝體積、更強大的處理性能及更高的安全可靠性，同時可編程功耗技術、低靜態功耗等節能技術的引入，也使其比前一代FPGA和SoC產品降低了40%的功耗視頻采集卡的新主角

　　視頻采集卡是視頻系統的核心模塊，來自前端（攝像頭，攝像機等）的視頻圖像模擬信號首先將經由輸入接口進入視頻采集卡，并在這里完成信號采集、量化，轉化為數字信號，然后壓縮編碼成常見的視頻編碼格式，例如AV、MPEG等，最后，這些壓縮后的視頻流將通過輸出端口傳送到后臺。傳統上，視頻采集卡利用主機處理器（軟壓縮技術）或者專用硬件設備（硬壓縮方式）對視頻進行轉換、編碼和壓縮處理。

　　但隨著視頻系統的日趨復雜，尤其是高清視頻、多路交互式視頻場景的逐漸普及，以及用戶對于快速部署、快速迭代的需求，這兩類傳統處理模式都逐漸顯現出不足。首先，在軟壓縮技術中，視頻采集卡會將視頻傳送到主機處理器中進行處理。一方面，頻繁的高帶寬視頻傳輸會消耗大量的系統資源以及處理器處理能力，造成系統整體性能的下降；另一方面，眾所周知，視頻處理過程中所需的主要是浮點計算，而通用處理器在此類計算上性能并不占優， 不能發揮其全部效能。而在硬壓縮技術中，由于需要在視頻采集卡中部署專門的數字信號處理（Digital Signal Process，DSP）芯片，這類芯片往往價格高昂，而且一旦用戶需求發生變化，系統也需要同步更換芯片，還需重新對視頻采集卡的整體架構進行調整， 產品研發時間長，到位慢，無法滿足快速響應的需求。

　　為使視頻采集卡具備更好的性價比及快速反應能力，智微智能提出了一種全新基于FPGA芯片的視頻采集方案。FPGA是一種半導體 集成電路，其可以通過修改內部邏輯塊和連接來實現功能的變化， 因此，即便在用戶現場，工程師也可通過定制設備內的邏輯功能來加速關鍵工作負載。與傳統專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）或通用處理器相比，FPGA在靈活性、部署速度、集成能力以及降低TCO等方面都有著更好的表現。

　　“FPGA的最大優勢在于靈活，它就是一盒積木一樣，可以根據用戶的需求隨心所欲的進行組合，雖然FPGA的邏輯結構與通用處理器相比遠遠來的簡單，但通過對其處理邏輯模塊的不斷累加，在一些特定計算場景，例如在以浮點計算為主的視頻處理過程中，FPGA可以表現出比通用處理器更為強大的處理性能。以英特爾? Arria? 10 FPGA為例，其DSP性能最高可達1,500 GFLOPS（每秒十億次浮點運算數）?！敝俏⒅悄蹻PGA項目總監吳永波這樣說道。

　　多路視頻鑄就更立體的教育直播

　　數字化教育的浪潮讓視頻系統在教育行業的應用中大顯身手。通過精品錄播、校園電臺（虛擬演播廳）等應用場景，視頻系統正幫助廣大師生進行更多更有效率的教學模式創新。利用精品錄播系統，可以實現優秀教師同時給多個班級上課，也能實現多個班級同時互動交流，從而讓優秀的教育資源得以共享，獲得優勢教育的均衡發展。

　　智微智能校園錄播方案集合學生全景攝像頭、教師跟蹤攝像頭、錄播主機、電子白板、拾音器以及服務器等軟硬件產品，以實現高性價比的高品質課程錄制和實時遠程交互式教學。但頻繁的視頻交互也意味著需要采集多路視頻予以支持。在傳統的多路視頻采集方案中，這需要給錄播主機配備多塊視頻采集卡，造成系統復雜度驟升且成本高昂，多塊采集卡在同一主機中進行工作也存在互相干擾的問題。在智微智能的新方案中，錄播主機配備了全新的智微智能4路SDI FPGA視頻采集卡IFPGA01，來支撐多路視頻的高效采集。

　　智微IFPGA01多路視頻采集卡采用了1路高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）+4路3G串行數字接口（3-Gbps Serial Digital Interface，3G-SDI）的視頻輸入設置，多路輸入讓一張采集卡同時具備了多張采集卡的能力，為用戶降低了部署復雜度和成本。HDMI接口和3G-SDI接口都是頗受人們關注的高清視頻接口，尤其是3G-SDI，其高達2.97Gbps的傳輸速率可以高速無損地傳輸超高清數字視頻，逐漸成為各類視頻系統進行視頻采集的首選。

　　高帶寬意味著海量數據，尤其是當5路超高清視頻數據被同時采集時，會給視頻采集卡的核心處理能力帶來極大挑戰。這不僅要對每秒數G比特的數據進行快速處理、編碼和壓縮，同時還要保證各路信號之間不會發生串擾。為此，智微智能在其多路視頻采集卡中引入英特爾? Arria? 10 FPGA，專門負

　　高帶寬意味著海量數據，尤其是當5路超高清視頻數據被同時采集時，會給視頻采集卡的核心處理能力帶來極大挑戰。這不僅要對每秒數G比特的數據進行快速處理、編碼和壓縮，同時還要保證各路信號之間不會發生串擾。為此，智微智能在其多路視頻采集卡中引入英特爾? Arria? 10 FPGA，專門負責多路高清視頻數據的處理。

　　英特爾? Arria? 10 FPGA是基于20納米構建的SoC芯片，具有1.5GHz雙核硬核處理器系統(HPS)，其具有性能卓越的2,400 Mbps DDR4 SDRAM存儲器接口，支持25.78 Gbps帶寬處理能力，并擁有96個收發器通路，串行帶寬可達3.3 Tbps。一項測試表明：與同樣基于20納米技術構建的FPGA競品相比，英特爾? Arria? 10 FPGA的內核性能可高出10% - 20%左右。打造更順暢的智能會議系統

　　遠程會議系統是視頻服務的另一個重要陣地，利用電子白板、液晶屏及周邊的攝像頭、音響、麥克風等設備，可以實現簡單、快速、互動分享的遠程會議，節省運營成本，提高企業運作效率。

　　在遠程會議系統中，視頻采集卡的性能優劣也將直接影響到整個會議系統的支撐能力，尤其在企業的重要會議上，任何視頻延遲、卡頓都會影響會議的流暢進行，因此智微智能也引入英特爾? FPGA 芯片來保證整個視頻采集卡的工作效能。

　　智微智能新的會議主機方案基于英特爾? 開放式可插拔規范（Open Pluggable  Specification，OPS）構建，并搭載性能卓越并搭載性能卓越的基于X86架構的英特爾處理器，提供強大的處理能力。搭載兩顆英特爾? Cyclone? IV GX FPGA芯片，并具備高清

　　SDI視頻輸入接口和HDMI IN兩路接口。高清SDI用于接入高清攝像頭，其高帶寬處理能力可以每秒30幀的速度采集1080p格式視頻， 與傳統USB視頻接口相較，擁有高清SDI接口方案的視頻采集卡能夠實現更遠距離的視頻接駁與傳輸；而HDMI IN則可以連接電腦，將電腦中播放的會議材料、數據匯集起來。經兩顆FPGA芯片處理的視頻流，數據都通過PCIE接口接入主機，實現完整的會議視頻。

　　通過智微智能視頻會議系統的部署，與會者可以實時獲得對方的視頻和電腦畫面，一方的用戶可以將會議中另一方用戶的全景或發言人畫面予以實時展現，同時還能將對方筆記本電腦桌面或其他設備上的內容實時顯示，這樣的顯示方式可以讓本地與會者有更好的參與感和更高的效率。

　　英特爾? Cyclone? IV FPGA芯片的加入讓視頻會議系統具備了強大的視頻處理、編碼和壓縮能力，為使用者提供了良好的使用體驗。其具有8個集成3.125 Gbps收發器，成熟的GX收發器技術讓這款

　　FPGA芯片具有出眾的抖動性能并能保持良好的信號完整性，使其在保證會議視頻的連續性和高質量方面可圈可點。同時該芯片產品具備的杰出功耗設計，能讓用戶有能力開發功耗不到1.5瓦的PCI Express至千兆以太網橋接應用。

　　現在，智微智能單路、多路 SDI 視頻采集卡已與其在智慧教育、智能會議、智慧城市等多個方向上的產品形態相結合，并在大量的用戶場景中實際部署。來自用戶的實際反饋表明，新一代的智微智能視頻采集卡無論是在視頻采集、處理、編碼、壓縮效率上，還是在部署便捷性，穩定性等方面都表現卓越，達到了用戶的預期目標。在未來，智微智能還將與英特爾一起，繼續開展進一步的深層次技術交流與合作，將更多更先進的視頻處理技術與方案融入產品之中， 為終端用戶打造第一流的高清視頻體驗。

　　經驗：

　　與通用處理器相比，FPGA在以浮點計算為主的視頻處理中更占優勢且具有成本優勢，因此部署英特爾? FPGA芯片的視頻采集卡比傳統軟解壓、硬解壓模式具有更高的工作效率，同時還能有效降低用戶的TCO。

　　用戶需求的復雜化使多路視頻采集已成為視頻系統的流行趨勢，智微智能多路視頻采集卡可以同時采集多路高清視頻信號且互不干擾，以一塊卡的能力承擔起傳統多塊視頻采集卡的功能，在視頻錄播等需要多方視頻的場景中具有廣闊的應用前景。