Digitale Signalprozessoren (DSPs) für die Videoverarbeitung: Ein Leitfaden für Anfänger

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Was sind digitale Signalprozessoren (DSPs)?

Digitale Signalprozessoren (DSPs) sind spezialisierte Mikroprozessoren, die Informationen durch die Manipulation digitaler Signale verarbeiten. Sie sind dafür ausgelegt, Datenberechnungen schnell durchzuführen, insbesondere solche mit Audio-, Video- und Telekommunikationssignalen. In den letzten Jahren haben DSPs an Bedeutung gewonnen und treiben eine breite Palette moderner Produkte wie Smartphones, Laptops und medizinischer Geräte an.

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Im Rahmen der Videoverarbeitung können DSPs für eine Vielzahl von Aufgaben verwendet werden, wie z. B.:

Bild- und Videokomprimierung
Videoskalierung und -verbesserung
Video-Rauschunterdrückung
Videostabilisierung
Videoobjektverfolgung

Die oben genannten fünf Punkte werden im folgenden Abschnitt ausführlich erläutert.

Wofür wird ein digitaler Signalprozessor verwendet?

Bild- und Videokomprimierung: Durch die Komprimierung digitaler Fotos und Filme lässt sich die Größe reduzieren, ohne dass die Qualität zu sehr beeinträchtigt wird. DSPs können schwierige mathematische Prozesse schnell und effektiv ausführen, was sie ideal für diese Aufgabe macht.
Videoskalierung und -verbesserung: Die Praxis der Größenanpassung und Verbesserung von Videobildern wird als „Videoskalierung und -verbesserung“ bezeichnet. Videobilder können mithilfe von DSPs auf mehrere Auflösungen, Seitenverhältnisse oder Farbschemata skaliert werden. Darüber hinaus können sie verwendet werden, um die Videobildqualität zu verbessern, indem sie Rauschen verringern, Kanten verstärken und den Farbabgleich anpassen.
Videorauschunterdrückung: Die Praxis der Entfernung von Rauschen aus Videobildern wird als Videorauschunterdrückung bezeichnet. Zahlreiche Dinge, wie unzureichende Beleuchtung, Kamerawackeln oder Komprimierungsfehler, können zu Rauschen führen. DSPs können Filter auf das visuelle Signal anwenden, um Rauschen zu minimieren.
Videostabilisierung: Unschärfe und Verwacklungen in Videobildern werden durch Videostabilisierung reduziert. Dies kann durch den Einsatz von Bildstabilisierungssoftware oder durch Kompensieren von Kameraverwacklungen erreicht werden. Beide Methoden sind mit DSPs umsetzbar.
Videoobjektverfolgung: Das Verfolgen von Objekten in Videobildern wird als Videoobjektverfolgung bezeichnet. Dafür sind zahlreiche Anwendungen möglich, darunter Robotik und Videoüberwachung. Indem DSPs die Merkmale eines Objekts erkennen und diese im Laufe der Zeit verfolgen, können sie zum Verfolgen von Objekten verwendet werden.

Verschiedene Arten von DSPs und DSP-Anwendungen in der Videoverarbeitung

Es gibt drei Haupttypen von DSPs:

Allzweck-DSPs: Diese DSPs sind für eine Reihe von Anwendungen gedacht, einschließlich der Videoverarbeitung. Sie sind oft weniger teuer und weniger leistungsfähig als spezialisierte DSPs.
Spezialisierte DSPs: Diese DSPs sind für bestimmte Aufgaben konzipiert, wie etwa die Videoverarbeitung. Sie sind oft teurer, aber auch leistungsstärker als Allzweck-DSPs.
Benutzerdefinierte DSPs: Diese DSPs wurden speziell für einen bestimmten Einsatzzweck entwickelt. Obwohl sie die teuerste und leistungsstärkste Art von DSP sind, können sie für eine bestimmte Anwendung die besten Ergebnisse liefern.

Je nach DSP-Typ haben unterschiedliche DSPs unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten bei der Videoverarbeitung. Typischerweise werden Allzweck-DSPs für Videocodierungs- und -decodierungsanwendungen eingesetzt. Anwendungen wie Videofilterung und -stabilisierung nutzen häufig spezialisierte DSPs. Normalerweise erfordern Anwendungen wie Videoanalyse und -bearbeitung benutzerdefinierte DSPs. Zu den gängigsten spezialisierten DSPs für die Videoverarbeitung gehören:

Bildsignalprozessoren (ISPs): Diese DSPs werden als Bildsignalprozessoren (ISPs) bezeichnet und zur Bildverarbeitung verwendet. Sie sind häufig in Kameras und anderen Aufnahmegeräten zu finden.
Videosignalprozessoren (VSPs): Diese DSPs werden zur Verarbeitung von Videosignalen verwendet und als „Videosignalprozessoren“ (VSPs) bezeichnet. Sie sind häufig in elektronischen Geräten wie Fernsehern, Mobiltelefonen und Laptops zu finden, die Videos abspielen oder aufnehmen.
Grafikprozessoren (GPUs): Diese DSPs werden als Grafikprozessoren (GPUs) bezeichnet und werden zur Grafikverarbeitung verwendet. Sie werden häufig in High-End-Fernsehern, Spielekonsolen und Laptops sowie anderen Geräten verwendet, die Grafiken anzeigen.

Einige Beispiele für DSPs, die häufig zur Videoverarbeitung verwendet werden

QuickSync Video von Intel: QuickSync Video von Intel ist ein Hardwarebeschleunigungssystem, das in Intel-Prozessoren integriert ist. Viele Videoverarbeitungsvorgänge, einschließlich Videodekodierung, -kodierung und -transkodierung, können damit beschleunigt werden.
Radeon Media Engine von AMD: AMD-Grafikkarten werden mit der Radeon Media Engine geliefert, einer Technik zur Hardwarebeschleunigung. Viele Videoverarbeitungsvorgänge, einschließlich Videodekodierung, -kodierung und -transkodierung, können damit beschleunigt werden.
NVENC von NVIDIA: NVENC von NVIDIA ist eine Technik zur Hardwarebeschleunigung, die in die Grafikkarten des Unternehmens integriert ist. Sie kann verwendet werden, um eine Reihe von Videoverarbeitungsprozessen zu beschleunigen, einschließlich Transkodierung, Kodierung und Dekodierung von Videos.
Cyclone V DSP von Altera: Der Cyclone V DSP von Altera ist ein FPGA, mit dem sich zahlreiche Anwendungen zur digitalen Signalverarbeitung, einschließlich Videoverarbeitung, implementieren lassen.
Kintex UltraScale+ DSP von Xilinx: Der Kintex UltraScale+ DSP ist ein FPGA, mit dem sich zahlreiche Anwendungen zur digitalen Signalverarbeitung, einschließlich Videoverarbeitung, erstellen lassen.

Wie wählen Sie den richtigen DSP für Ihre Videoverarbeitungsanwendung aus?

Bei der Auswahl eines DSP für Ihre Videoverarbeitungsanwendung sollten Sie die folgenden Faktoren berücksichtigen:

Die Art der Anwendung zur Videoverarbeitung: Verschiedene DSPs sind für bestimmte Anwendungen mit Videoverarbeitung besser geeignet. Während beispielsweise ein spezialisierter DSP für eine Anwendung zur Videogestenerkennung eine bessere Option sein könnte, ist ein Allzweck-DSP möglicherweise eine gute Wahl für eine Videokomprimierungsanwendung.
Die erforderliche Leistung: Die Taktfrequenz und der Speicherbedarf des DSP hängen von den Leistungsanforderungen Ihrer Videoverarbeitungsanwendung ab.
Die Energiekosten: Der Stromverbrauch des DSP wird durch das Strombudget Ihrer Videoverarbeitungsanwendung bestimmt.
Der Preis: Ein weiterer wichtiger Faktor, der berücksichtigt werden muss, ist der Preis des DSP.

Die Zukunft von DSPs in der Videoverarbeitung

DSPs in der Videoverarbeitung haben eine vielversprechende Zukunft. Mit der Weiterentwicklung der Videotechnologie zur Verarbeitung von hochauflösenden Videos, virtueller Realität und erweiterter Realität werden DSPs immer wichtiger. Zudem bietet die Weiterentwicklung der künstlichen Intelligenz (KI) DSPs in der Videoverarbeitung neue Optionen. Durch den Einsatz von KI zur Automatisierung von Prozessen wie Videokomprimierung und Videoanalyse können DSPs für andere Aufgaben frei werden. DSPs sind im Allgemeinen ein effektives Werkzeug zur Videoverarbeitung und werden auch weiterhin für die Weiterentwicklung der Videotechnologie von entscheidender Bedeutung sein.

Fazit

Für die Videoverarbeitung sind digitale Signalprozessoren ein effektives Werkzeug. Neben Bild- und Videokomprimierung, Skalierung und Verbesserung sind Videorauschunterdrückung, Videostabilisierung und Videoobjektverfolgung nur einige der Aufgaben, für die sie eingesetzt werden können. Bei der Auswahl eines DSP für die Videoverarbeitung ist es wichtig, die jeweilige Anwendung, das Budget und die Verfügbarkeit von Software und Tools zu berücksichtigen.