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(zhì)量的軟、硬件解決方案幫助用戶打造優(yōu)質(zhì)的視頻會(huì)議系統(tǒng)、教育錄播、廣播系統(tǒng)等產(chǎn)品。優(yōu)秀的視頻系統(tǒng)離不開高效率的視頻采集設(shè)備，通過引入英特爾多款先進(jìn)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(wěn)定性以及有效降低TCO等多個(gè)方面都得到用戶肯定，贏得市場(chǎng)的一致好評(píng)。”
吳永波
FPGA 項(xiàng)目總監(jiān)
智微智能
今天的視頻服務(wù)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(jiān)控到工業(yè)機(jī)器視覺，從教育錄播到遠(yuǎn)程視頻會(huì)議，視頻服務(wù)正以不同形式推動(dòng)著人們生產(chǎn)生活效率的提升。隨著我國(guó)在教育信息化、智慧城市、平安城市等方向上不斷加大推進(jìn)力度， 越來越多的視頻服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景正站上風(fēng)口，迎來高速發(fā)展的機(jī)遇。
優(yōu)秀的視頻服務(wù)離不開強(qiáng)大的視頻系統(tǒng)作為堅(jiān)實(shí)后盾。作為視頻處理系統(tǒng)的入口，視頻采集卡工作效能的強(qiáng)弱無疑將直接決定整個(gè)視頻服務(wù)的水準(zhǔn)。成立于2011年的深圳市智微智能科技開發(fā)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“智微智能*”）是國(guó)內(nèi)智能設(shè)備解決方案市場(chǎng)的開拓者和領(lǐng)航者，其長(zhǎng)期專注于智慧教育、智慧商顯、智能辦公系統(tǒng)、公共安全等方面的研究和開發(fā)。尤其在智慧視頻領(lǐng)域，智微智能為行業(yè)用戶提供了一系列極具競(jìng)爭(zhēng)力的核心解決方案， 幫助其提高生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率，推動(dòng)視頻服務(wù)設(shè)備市場(chǎng)向著智能化方向全面發(fā)展。
新的機(jī)遇帶來新的挑戰(zhàn)，高清視頻、多路視頻采集等新需求的出現(xiàn)，讓傳統(tǒng)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(tǒng)視頻采集卡在處理能力， 系統(tǒng)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(wù)市場(chǎng)高速發(fā)展的需求，亟需一種新的解決方案來有效解決。
現(xiàn)在，智微智能與信息科技行業(yè)巨擘英特爾開展緊密合作，引入最新的英特爾? 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（英特爾? FPGA）系列產(chǎn)品，與英特爾處理器產(chǎn)品緊密結(jié)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(tái)（虛擬演播廳）、智能會(huì)議系統(tǒng)、Mini KTV等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際部署中表現(xiàn)出卓越的性能，贏得用戶的一致好評(píng)。
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(chǎn)品。前者是基于20納米制程構(gòu)建的系統(tǒng)級(jí)芯片（System-on-a-Chip，SoC）設(shè)計(jì)，最多可達(dá)百萬個(gè)的邏輯單元(LE)，配合英特爾? Enpirion? PowerSoC系統(tǒng)為其提供了更小的封裝體積、更強(qiáng)大的處理性能及更高的安全可靠性，同時(shí)可編程功耗技術(shù)、低靜態(tài)功耗等節(jié)能技術(shù)的引入，也使其比前一代FPGA和SoC產(chǎn)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(tǒng)的核心模塊，來自前端（攝像頭，攝像機(jī)等）的視頻圖像模擬信號(hào)首先將經(jīng)由輸入接口進(jìn)入視頻采集卡，并在這里完成信號(hào)采集、量化，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，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(tái)。傳統(tǒng)上，視頻采集卡利用主機(jī)處理器（軟壓縮技術(shù)）或者專用硬件設(shè)備（硬壓縮方式）對(duì)視頻進(jìn)行轉(zhuǎn)換、編碼和壓縮處理。
但隨著視頻系統(tǒng)的日趨復(fù)雜，尤其是高清視頻、多路交互式視頻場(chǎng)景的逐漸普及，以及用戶對(duì)于快速部署、快速迭代的需求，這兩類傳統(tǒng)處理模式都逐漸顯現(xiàn)出不足。首先，在軟壓縮技術(shù)中，視頻采集卡會(huì)將視頻傳送到主機(jī)處理器中進(jìn)行處理。一方面，頻繁的高帶寬視頻傳輸會(huì)消耗大量的系統(tǒng)資源以及處理器處理能力，造成系統(tǒng)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(diǎn)計(jì)算，而通用處理器在此類計(jì)算上性能并不占優(yōu)， 不能發(fā)揮其全部效能。而在硬壓縮技術(shù)中，由于需要在視頻采集卡中部署專門的數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Process，DSP）芯片，這類芯片往往價(jià)格高昂，而且一旦用戶需求發(fā)生變化，系統(tǒng)也需要同步更換芯片，還需重新對(duì)視頻采集卡的整體架構(gòu)進(jìn)行調(diào)整， 產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，到位慢，無法滿足快速響應(yīng)的需求。
為使視頻采集卡具備更好的性價(jià)比及快速反應(yīng)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(dǎo)體 集成電路，其可以通過修改內(nèi)部邏輯塊和連接來實(shí)現(xiàn)功能的變化， 因此，即便在用戶現(xiàn)場(chǎng)，工程師也可通過定制設(shè)備內(nèi)的邏輯功能來加速關(guān)鍵工作負(fù)載。與傳統(tǒng)專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）或通用處理器相比，F(xiàn)PGA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(xiàn)。
“FPGA的最大優(yōu)勢(shì)在于靈活，它就是一盒積木一樣，可以根據(jù)用戶的需求隨心所欲的進(jìn)行組合，雖然FPGA的邏輯結(jié)構(gòu)與通用處理器相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)來的簡(jiǎn)單，但通過對(duì)其處理邏輯模塊的不斷累加，在一些特定計(jì)算場(chǎng)景，例如在以浮點(diǎn)計(jì)算為主的視頻處理過程中，F(xiàn)PGA可以表現(xiàn)出比通用處理器更為強(qiáng)大的處理性能。以英特爾? Arria? 10 FPGA為例，其DSP性能最高可達(dá)1,500 GFLOPS（每秒十億次浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)）。”智微智能FPGA項(xiàng)目總監(jiān)吳永波這樣說道。
多路視頻鑄就更立體的教育直播
數(shù)字化教育的浪潮讓視頻系統(tǒng)在教育行業(yè)的應(yīng)用中大顯身手。通過精品錄播、校園電臺(tái)（虛擬演播廳）等應(yīng)用場(chǎng)景，視頻系統(tǒng)正幫助廣大師生進(jìn)行更多更有效率的教學(xué)模式創(chuàng)新。利用精品錄播系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀教師同時(shí)給多個(gè)班級(jí)上課，也能實(shí)現(xiàn)多個(gè)班級(jí)同時(shí)互動(dòng)交流，從而讓優(yōu)秀的教育資源得以共享，獲得優(yōu)勢(shì)教育的均衡發(fā)展。
智微智能校園錄播方案集合學(xué)生全景攝像頭、教師跟蹤攝像頭、錄播主機(jī)、電子白板、拾音器以及服務(wù)器等軟硬件產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的高品質(zhì)課程錄制和實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程交互式教學(xué)。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(tǒng)的多路視頻采集方案中，這需要給錄播主機(jī)配備多塊視頻采集卡，造成系統(tǒng)復(fù)雜度驟升且成本高昂，多塊采集卡在同一主機(jī)中進(jìn)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(jī)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(shù)字接口（3-Gbps Serial Digital Interface，3G-SDI）的視頻輸入設(shè)置，多路輸入讓一張采集卡同時(shí)具備了多張采集卡的能力，為用戶降低了部署復(fù)雜度和成本。HDMI接口和3G-SDI接口都是頗受人們關(guān)注的高清視頻接口，尤其是3G-SDI，其高達(dá)2.97Gbps的傳輸速率可以高速無損地傳輸超高清數(shù)字視頻，逐漸成為各類視頻系統(tǒng)進(jìn)行視頻采集的首選。
高帶寬意味著海量數(shù)據(jù)，尤其是當(dāng)5路超高清視頻數(shù)據(jù)被同時(shí)采集時(shí)，會(huì)給視頻采集卡的核心處理能力帶來極大挑戰(zhàn)。這不僅要對(duì)每秒數(shù)G比特的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理、編碼和壓縮，同時(shí)還要保證各路信號(hào)之間不會(huì)發(fā)生串?dāng)_。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(fù)
高帶寬意味著海量數(shù)據(jù)，尤其是當(dāng)5路超高清視頻數(shù)據(jù)被同時(shí)采集時(shí)，會(huì)給視頻采集卡的核心處理能力帶來極大挑戰(zhàn)。這不僅要對(duì)每秒數(shù)G比特的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理、編碼和壓縮，同時(shí)還要保證各路信號(hào)之間不會(huì)發(fā)生串?dāng)_。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(fù)責(zé)多路高清視頻數(shù)據(jù)的處理。
英特爾? Arria? 10 FPGA是基于20納米構(gòu)建的SoC芯片，具有1.5GHz雙核硬核處理器系統(tǒng)(HPS)，其具有性能卓越的2,400 Mbps DDR4 SDRAM存儲(chǔ)器接口，支持25.78 Gbps帶寬處理能力，并擁有96個(gè)收發(fā)器通路，串行帶寬可達(dá)3.3 Tbps。一項(xiàng)測(cè)試表明：與同樣基于20納米技術(shù)構(gòu)建的FPGA競(jìng)品相比，英特爾? Arria? 10 FPGA的內(nèi)核性能可高出10% - 20%左右。打造更順暢的智能會(huì)議系統(tǒng)
遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)是視頻服務(wù)的另一個(gè)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(fēng)等設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、快速、互動(dòng)分享的遠(yuǎn)程會(huì)議，節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本，提高企業(yè)運(yùn)作效率。
在遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)中，視頻采集卡的性能優(yōu)劣也將直接影響到整個(gè)會(huì)議系統(tǒng)的支撐能力，尤其在企業(yè)的重要會(huì)議上，任何視頻延遲、卡頓都會(huì)影響會(huì)議的流暢進(jìn)行，因此智微智能也引入英特爾? FPGA 芯片來保證整個(gè)視頻采集卡的工作效能。
智微智能新的會(huì)議主機(jī)方案基于英特爾? 開放式可插拔規(guī)范（Open Pluggable Specification，OPS）構(gòu)建，并搭載性能卓越并搭載性能卓越的基于X86架構(gòu)的英特爾處理器，提供強(qiáng)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(tǒng)USB視頻接口相較，擁有高清SDI接口方案的視頻采集卡能夠?qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)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(huì)議材料、數(shù)據(jù)匯集起來。經(jīng)兩顆FPGA芯片處理的視頻流，數(shù)據(jù)都通過PCIE接口接入主機(jī)，實(shí)現(xiàn)完整的會(huì)議視頻。
通過智微智能視頻會(huì)議系統(tǒng)的部署，與會(huì)者可以實(shí)時(shí)獲得對(duì)方的視頻和電腦畫面，一方的用戶可以將會(huì)議中另一方用戶的全景或發(fā)言人畫面予以實(shí)時(shí)展現(xiàn)，同時(shí)還能將對(duì)方筆記本電腦桌面或其他設(shè)備上的內(nèi)容實(shí)時(shí)顯示，這樣的顯示方式可以讓本地與會(huì)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(huì)議系統(tǒng)具備了強(qiáng)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(yàn)。其具有8個(gè)集成3.125 Gbps收發(fā)器，成熟的GX收發(fā)器技術(shù)讓這款
FPGA芯片具有出眾的抖動(dòng)性能并能保持良好的信號(hào)完整性，使其在保證會(huì)議視頻的連續(xù)性和高質(zhì)量方面可圈可點(diǎn)。同時(shí)該芯片產(chǎn)品具備的杰出功耗設(shè)計(jì)，能讓用戶有能力開發(fā)功耗不到1.5瓦的PCI Express至千兆以太網(wǎng)橋接應(yīng)用。
現(xiàn)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(huì)議、智慧城市等多個(gè)方向上的產(chǎn)品形態(tài)相結(jié)合，并在大量的用戶場(chǎng)景中實(shí)際部署。來自用戶的實(shí)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(wěn)定性等方面都表現(xiàn)卓越，達(dá)到了用戶的預(yù)期目標(biāo)。在未來，智微智能還將與英特爾一起，繼續(xù)開展進(jìn)一步的深層次技術(shù)交流與合作，將更多更先進(jìn)的視頻處理技術(shù)與方案融入產(chǎn)品之中， 為終端用戶打造第一流的高清視頻體驗(yàn)。
經(jīng)驗(yàn)：
與通用處理器相比，F(xiàn)PGA在以浮點(diǎn)計(jì)算為主的視頻處理中更占優(yōu)勢(shì)且具有成本優(yōu)勢(shì)，因此部署英特爾? FPGA芯片的視頻采集卡比傳統(tǒng)軟解壓、硬解壓模式具有更高的工作效率，同時(shí)還能有效降低用戶的TCO。
用戶需求的復(fù)雜化使多路視頻采集已成為視頻系統(tǒng)的流行趨勢(shì)，智微智能多路視頻采集卡可以同時(shí)采集多路高清視頻信號(hào)且互不干擾，以一塊卡的能力承擔(dān)起傳統(tǒng)多塊視頻采集卡的功能，在視頻錄播等需要多方視頻的場(chǎng)景中具有廣闊的應(yīng)用前景。