8K超高分辨率视频处理系统分析与设计

作者 林文富 刘伟俭 广东威创视讯科技股份有限公司(广州 广东 510000)

*基金项目：2014年产学研专项项目，支持小间距LED显示的多屏实时处理器系统的研发(编号：2014Y2-00211)

林文富(1982-)，男，硕士，中级电子工程师，研究方向：视频处理;刘伟俭，男，博士，中级电子工程师，研究方向：视频处理及显示技术。

摘要：随着视频技术的不断发展，分辨率从480P发展到1080P;当我们还没有完全意识到4K电视将一统天下的时候， 2016年8月，里约奥运会已经开始了8K的直播。8K视频要求需要处理每帧约33M像素的数据量，海量的数据处理为目前的视频处理系统带来了一个非常大的挑战。在目前的大屏幕拼墙领域，从视频采集到视频传输与处理各个环节来看，目前的视频处理平台均无法满足。因此，本文针对现在的8K带宽进行分析，设计了一个全新的8K视频处理平台，使得8K视频可以在大屏幕拼接领域得到广泛应用。

引言

　　8K的标准早在几年前就已经确立，8K的视频源随后也逐步出现。2012年8月23日，联合国旗下的国际电讯联盟(International Telecommunication Union - ITU)通过了以日本NHK电视台所建议的7680x4320解像度^[2]作为国际的8K超高画质电视(Super Hi-Vision - SHV)标准;2013年，日本NHK制作电影《珍馐美味》，使用8K分辨率(7680×4320)拍摄、制作和放映，清晰度是1080p的16倍，在未经压缩的情况下，8K视频(24fps)每秒的容量即可达到1GB;2015年，NHK采用8K技术直播加拿大女足世界杯;2016年8月5日，第31届夏季奥林匹克运动会在巴西的里约热内卢举行，8K直播是一个亮点。

　　随着标准的确立，8K摄像机发展也非常迅速。2012年，NHK推出的的Super Hi-Vision视频采集摄像机，体积较大;2013年以后的Super Hi-Vision视频采集摄像机则小巧便携许多。Sony F65RS即为目前市场上的一款8K摄像机。Panavision 2016年6月正式发布DXL。 Panavision DXL号称是最完整的摄影机系统，配有一个35.5兆像素的8K CMOS传感器，可以以最高60 fps录制8K视频。

　　8K带来的图像效果是非常逼真的，可以带来超越传统广电画质的精细感，同时，8K的彩色还原度达到75.8%，可以看到4K和1080p里看不到的色彩。但是，在8K视频处理方面，因为其巨大的数据量，存在很大的问题。以8K视频24帧为例，如果每位色深达到6bit，处理单路8K的数据带宽需要高达14.3Gbps。在目前的拼墙领域，能处理单路的最大分辨率只能达到4K，尚无专业处理器能处理8K的分辨率。如此巨大的数据量，在视频采集端，需要有专用的芯片来采集;在进行数据传输时候，也需要针对如此高的带宽专门设计数据传输通道来进行传输^[3];视频处理这块，目前还没有专门芯片来进行8K视频的叠加、缩放等处理。针对这些现状，在大屏处理领域对这些问题都是一个很大的挑战。

1 8K视频处理系统结构和工作原理

　　8K视频处理系统的困难主要在于带宽这块，因此，基于目前的芯片处理水平，设计其处理系统的主要思路是对视频进行分割处理。一路8K视频，最终通过视频处理器后，输出16路1080p的视频。工作原理主要是通过索喜的8K解码芯片将码流变成4路HDMI2.0输出，4路HDMI2.0最终分解成16路1080p视频在拼接墙上显示。具体的视频处理框图如图2所示。每个HDMI2.0相当于一个4K的视频，8K相当于4个4K视频的组合。HDMI2.0的码流出来后，通过高速的FPGA芯片，解码HDMI2.0后，将每路的HDMI2.0信号再次分解成4路1080p的视频流，方便后续高速信号传输与处理。在高速逻辑芯片内将2路1080P视频进行数据串行化传输，每对serdes对的速率高达6.25Gbps。针对大屏幕拼墙的特殊应用，每对高速serdes对还进入一个高速交叉模块，该模块主要功能是对视频信号进行调度，类似矩阵功能，满足拼接显示的需要。串行化视频经过传输路径到达后端的FPGA芯片后，在芯片内进行解串处理，同时，以1080p为单位在逻辑内部做视频处理，包括叠加、缩放、图像增强和旋转等，处理完毕后，输出到TMDS编码芯片SII1164。最后，sII1164以DVI的形式输出视频到拼接墙。

　　在具体的处理器系统里，图2中功能模块会分到几个板块里完成，分别是8K信号采集板、高速信号交换板和信号输出处理板。其中，8K信号采集板完成8K信号的解码、分割与serdes发送功能，交换板完成高速信号的交叉分发功能，信号输出处理板完成信号的解串、视频处理与输出功能。

2 8K视频信号处理

　　整个系统设计的关键在于8K视频信号的处理。截止到目前为止，因为8K的标准没有非常明确，相应的视频处理芯片厂家也在观望，所以，相关的8K视频处理芯片非常少。如目前SiI9779、SiI9630等厂家宣传支持8K，但是最终也没有推出该功能。目前主推8K技术的是日本NHK，其预计在2020年的东京奥运会上进行8K直播。富士通株式会社与松下电器产业株式会社对两家公司的系统LSI业务进行合并，成立索喜科技有限公司(Socionext)。新品牌体现了公司的核心业务在于SoC及具有竞争优势的Imaging(视频和成像领域)和OpticalTransport Network(光纤通信网络领域)技术领域意义。Socionext在2016年推出一款单芯片8K处理芯片SCH801A。SCH801A与日本超高清卫星广播HEVC编码的标准ARIB STD-B32第一部分一致，能够单芯片单通道解码8K 60P，其配备一个PCI Express二代插槽，4路HDMI 2.0 Tx外部接口。8K的视频码流通过前端芯片SCH801A解码后，输出4路HMDI2.0的视频信号。从带宽上来看，HDMI2.0的最高带宽高达18Gbps，4个通道加起来带宽可达72Gbps，足够传输一路8K的视频信号。

　　在本设计中是采用高速FPGA进行HDMI2.0信号的解码，通过HDMI的解码模块来将标准的HDMI信号转换为并行的data数据。具体HDMI的解码模块设计框图如图3。TMDS数据进入Deskew模块进行数据的重新对齐与重排;数据进入TMDS decoder模块，从模块中分离出video data与AUX data。视频数据进入视频采样模块，分离出clk、HS、VS和video data。辅助数据进入Auxiliary Packet Capture模块，分离出控制数据包和音频数据等。视频数据分离出后，为了方便在拼墙处理器中进行数据传输，在通过FPGA的并串转换模块时，转为串行数据进行传输。每对HDMI的信号通过2对高速的serdes信号进行传输，方便视频调度模块进行调度。

3 视频调度模块

　　在该模块中，主要是视频信号调度、时钟处理模块、通信模块、CPU系统模块等为各个模块业务控制的核心。视频信号交叉调度模块采用高速串行空分交换技术，调度高速串行数据信号，传输该高速串行数据信号。根据预定的输入端口与输出端口的对应关系，将各输入的高速串行数据信号通过相应的端口输出，传输到相应的视频处理模块中。

　　时钟处理模块用来产生参考时钟信号，并将所生成的参考时钟信号提供给各个8K视频模块、各个视频信号处理模块、信号扩展交换平台等。8K视频模块、视频信号处理模块及信号扩展交换平台等在本单板提供的系统参考时钟的同步下，分别产生用于本模块高速串行处理业务所需的模块时钟。

　　CPU系统模块还负责各个8K视频模块及视频信号处理模块等系统控制，各个模块与主控交叉板之间的通信方式采用以太网方式进行信息交换，同时，各模块间在以太网通信异常时，可以切换到备份通道中进行系统控制，提高系统可靠性。

4 视频处理模块

　　视频信号处理模块对视频信号调度后的高速串行信号进行解串行化、切割、缩放、叠加等处理，最后输出处理后的图像信号。

　　通过图像信号采集模块对信号的串行化处理和主控交叉模块的调度，在视频信号处理模块的输入端口可获得任意需要的输入信号，输入的信号是高速的串行信号，必须进行解串后才能进行信号之后的处理。解串行化是串行化的逆向过程。输入信号的分辨率与所需显示的窗口大小通常都是不相同的，从解串行化模块还原出的图像必须进行缩放处理，同时，显示的窗口可能跨多个显示单元，每个单元只显示一部分，通过切割截取所需的图像数据，并进行相应的缩放处理。最后，由输出驱动部分完成叠加后的图像信号转换成标准的16路DVI信号输出。

5 结论

　　本文针对目前在拼墙领域8K视频遇到的一些问题和技术瓶颈进行了详细的分析，提出了一种8K视频处理器平台的设计方案。设计方案采用了索喜的8K解码芯片，把超高分辨率的视频分解成4路HDMI信号，并通过FPGA把4路的HDMI进行再次解码分析，最后，通过视频处理输出到大屏幕拼墙应用显示。该系统方案在笔者设计的处理器样机原型中得到实际应用和时间验证，运行效果良好，并大大提高了屏幕的画面精细度，具有很高的实用价值。

　　参考文献：

　　[1]覃毅力,韦安明,张韬.超高清电视关键技术探析[J].Content Production & Broadcasting,2013,05.

　　[2]邹霁.大尺寸超高清晰度等离子显示器的研发及运用[J].电视技术,2012,36(20).

　　[3]李远东,凌明伟.8K超高清电视广播的大容量无线传输技术综述[J].电视技术，2014,38(16).

　　[4]唐成基,贾智强,李桂兰. H.265压缩技术在广电网络中的应用[M].中国广电技术文萃, 2015,1.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第7期第40页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。