英特尔® FPGA芯片助力智微智能推出多款高性能视频采集卡

“智微智能旨在通过提供高质量的软、硬件解决方案帮助用户打造优质的视频会议系统、教育录播、广播系统等产品。优秀的视频系统离不开高效率的视频采集设备，通过引入英特尔多款先进的FPGA芯片，我们的多路、单路视频采集卡在视频处理能力、部署便捷性、稳定性以及有效降低TCO等多个方面都得到用户肯定，赢得市场的一致好评。”                                                                                                                        

                                                                                                         吴永波

                                                                                                         FPGA 项目总监

                                                                                                         智微智能

今天的视频服务已不再仅是一种娱乐形式，它早已渗入人们生活的方方面面。从安防监控到工业机器视觉，从教育录播到远程视频会议，视频服务正以不同形式推动着人们生产生活效率的提升。随着我国在教育信息化、智慧城市、平安城市等方向上不断加大推进力度， 越来越多的视频服务应用场景正站上风口，迎来高速发展的机遇。

优秀的视频服务离不开强大的视频系统作为坚实后盾。作为视频处理系统的入口，视频采集卡工作效能的强弱无疑将直接决定整个视频服务的水准。成立于2011年的深圳市智微智能科技开发有限公司（以下简称“智微智能*”）是国内智能设备解决方案市场的开拓者和领航者，其长期专注于智慧教育、智慧商显、智能办公系统、公共安全等方面的研究和开发。尤其在智慧视频领域，智微智能为行业用户提供了一系列极具竞争力的核心解决方案， 帮助其提高生产运营效率，推动视频服务设备市场向着智能化方向全面发展。

新的机遇带来新的挑战，高清视频、多路视频采集等新需求的出现，让传统视频采集卡承受起巨大的压力，无论是采用软压缩模式还是硬压缩模式，传统视频采集卡在处理能力， 系统效率和拥有总成本（Total Cost of Ownership, TCO）等方面都凸显短板，无法满足视频服务市场高速发展的需求，亟需一种新的解决方案来有效解决。

现在，智微智能与信息科技行业巨擘英特尔开展紧密合作，引入最新的英特尔® 现场可编程门阵列（英特尔® FPGA）系列产品，与英特尔处理器产品紧密结合，推出多款高性能视频采集卡。这一系列拥有单路或多路SDI高清视频采集能力的视频采集卡，在精品录播、校园电台（虚拟演播厅）、智能会议系统、Mini KTV等多个应用场景的实际部署中表现出卓越的性能，赢得用户的一致好评。

新方案主要引入了英特尔® Arria® 10 FPGA 和英特尔® Cyclone® IV FPGA两款芯片产品。前者是基于20纳米制程构建的系统级芯片（System-on-a-Chip，SoC）设计，最多可达百万个的逻辑单元(LE)，配合英特尔® Enpirion® PowerSoC系统为其提供了更小的封装体积、更强大的处理性能及更高的安全可靠性，同时可编程功耗技术、低静态功耗等节能技术的引入，也使其比前一代FPGA和SoC产品降低了40%的功耗¹。英特尔® Cyclone® IV集成了成熟的GX收发器技术，具有8个3.125 Gbps收发器，因而拥有出众的抖动性能以及良好的信号完整性， 同时其杰出的功耗设计，能让用户有能力开发功耗不到1.5瓦的PCIExpress至千兆以太网桥接应用。

视频采集卡的新主角

视频采集卡是视频系统的核心模块，来自前端（摄像头，摄像机等）的视频图像模拟信号首先将经由输入接口进入视频采集卡，并在这里完成信号采集、量化，转化为数字信号，然后压缩编码成常见的视频编码格式，例如AV、MPEG等，最后，这些压缩后的视频流将通过输出端口传送到后台。传统上，视频采集卡利用主机处理器（软压缩技术）或者专用硬件设备（硬压缩方式）对视频进行转换、编码和压缩处理。

但随着视频系统的日趋复杂，尤其是高清视频、多路交互式视频场景的逐渐普及，以及用户对于快速部署、快速迭代的需求，这两类传统处理模式都逐渐显现出不足。首先，在软压缩技术中，视频采集卡会将视频传送到主机处理器中进行处理。一方面，频繁的高带宽视频传输会消耗大量的系统资源以及处理器处理能力，造成系统整体性能的下降；另一方面，众所周知，视频处理过程中所需的主要是浮点计算，而通用处理器在此类计算上性能并不占优， 不能发挥其全部效能。而在硬压缩技术中，由于需要在视频采集卡中部署专门的数字信号处理（Digital Signal Process，DSP）芯片，这类芯片往往价格高昂，而且一旦用户需求发生变化，系统也需要同步更换芯片，还需重新对视频采集卡的整体架构进行调整， 产品研发时间长，到位慢，无法满足快速响应的需求。

为使视频采集卡具备更好的性价比及快速反应能力，智微智能提出了一种全新基于FPGA芯片的视频采集方案。FPGA是一种半导体 集成电路，其可以通过修改内部逻辑块和连接来实现功能的变化， 因此，即便在用户现场，工程师也可通过定制设备内的逻辑功能来加速关键工作负载。与传统专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）或通用处理器相比，FPGA在灵活性、部署速度、集成能力以及降低TCO等方面都有着更好的表现。

“FPGA的最大优势在于灵活，它就是一盒积木一样，可以根据用户的需求随心所欲的进行组合，虽然FPGA的逻辑结构与通用处理器相比远远来的简单，但通过对其处理逻辑模块的不断累加，在一些特定计算场景，例如在以浮点计算为主的视频处理过程中，FPGA可以表现出比通用处理器更为强大的处理性能。以英特尔® Arria® 10 FPGA为例，其DSP性能最高可达1,500 GFLOPS（每秒十亿次浮点运算数）。”智微智能FPGA项目总监吴永波这样说道。

多路视频铸就更立体的教育直播

数字化教育的浪潮让视频系统在教育行业的应用中大显身手。通过精品录播、校园电台（虚拟演播厅）等应用场景，视频系统正帮助广大师生进行更多更有效率的教学模式创新。利用精品录播系统，可以实现优秀教师同时给多个班级上课，也能实现多个班级同时互动交流，从而让优秀的教育资源得以共享，获得优势教育的均衡发展。

智微智能校园录播方案集合学生全景摄像头、教师跟踪摄像头、录播主机、电子白板、拾音器以及服务器等软硬件产品，以实现高性价比的高品质课程录制和实时远程交互式教学。但频繁的视频交互也意味着需要采集多路视频予以支持。在传统的多路视频采集方案中，这需要给录播主机配备多块视频采集卡，造成系统复杂度骤升且成本高昂，多块采集卡在同一主机中进行工作也存在互相干扰的问题。在智微智能的新方案中，录播主机配备了全新的智微智能4路SDI FPGA视频采集卡IFPGA01，来支撑多路视频的高效采集。

智微IFPGA01多路视频采集卡采用了1路高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）+4路3G串行数字接口（3-Gbps Serial Digital Interface，3G-SDI）的视频输入设置，多路输入让一张采集卡同时具备了多张采集卡的能力，为用户降低了部署复杂度和成本。HDMI接口和3G-SDI接口都是颇受人们关注的高清视频接口，尤其是3G-SDI，其高达2.97Gbps的传输速率可以高速无损地传输超高清数字视频，逐渐成为各类视频系统进行视频采集的首选。

高带宽意味着海量数据，尤其是当5路超高清视频数据被同时采集时，会给视频采集卡的核心处理能力带来极大挑战。这不仅要对每秒数G比特的数据进行快速处理、编码和压缩，同时还要保证各路信号之间不会发生串扰。为此，智微智能在其多路视频采集卡中引入英特尔® Arria® 10 FPGA， 专门负责多路高清视频数据的处理。