1 前言

　　高清視頻和傳統(tǒng)標(biāo)清視頻相比在視頻質(zhì)量上有了質(zhì)的飛躍，傳統(tǒng)CIF格式視頻其分辨率只有352×288、D1格式分辨率也僅720×576，而高清視頻分辨率可達(dá)到1280×720甚至1920×1080，能極大地提高主觀視頻體驗(yàn)。以往由于芯片編碼能力、網(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲(chǔ)技術(shù)等眾多因素制約，高清視頻一直沒能得到廣泛應(yīng)用，但隨著視頻編碼、IC設(shè)計(jì)、寬帶網(wǎng)絡(luò)及大容量存儲(chǔ)等技術(shù)的飛速發(fā)展，高清視頻應(yīng)用的主要障礙都已被掃清。

　　視頻監(jiān)控產(chǎn)品經(jīng)歷了模擬時(shí)代、數(shù)字時(shí)代、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展之后，現(xiàn)已將逐步進(jìn)入高清時(shí)代，高清視頻監(jiān)控已被越來越多的行業(yè)所關(guān)注和應(yīng)用，如平安城市、公安系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、金融銀行系統(tǒng)、機(jī)場、海關(guān)、邊防安檢，水利電力、電力系統(tǒng)監(jiān)控、排污、環(huán)保監(jiān)測、森林防火減災(zāi)、遠(yuǎn)程教育和遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域。這些行業(yè)用戶的普遍特點(diǎn)都需要高清晰度視頻圖像，要求對(duì)不止一路的高清視頻進(jìn)行高效實(shí)時(shí)編碼、傳輸和存儲(chǔ)，另外還需要系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展能力等。H.264/AVC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)由于具有優(yōu)異的編碼效率，能極大地降低高清視頻傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲(chǔ)容量需求，從而成為了高清視頻編碼方案的必然選擇。

　　針對(duì)這些行業(yè)用戶的需求，一種基于H.264的多路高清視頻編碼系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)由工控PC和多塊插卡式高清視頻壓縮卡所構(gòu)成，采用高性能ASIC視頻編碼芯片，單卡支持1路1080i格式或2路720P格式高清視頻實(shí)時(shí)編碼，支持HDMI、DVI、YPbPr、VGA等多種高清輸入接口，還可根據(jù)應(yīng)用需求靈活配置高清視頻壓縮卡數(shù)量。

　　本文將對(duì)多路高清編碼系統(tǒng)的組成、基于高清視頻編碼卡和系統(tǒng)的關(guān)鍵特性等幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。

　　2 基于H.264多路高清視頻編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　圖 1 基于H.264的多路高清視頻編碼系統(tǒng)框圖

　　基于H.264的多路高清視頻編碼系統(tǒng)方案如圖一所示，系統(tǒng)主要由主控 CPU和多個(gè)H.264編碼器構(gòu)成。模擬高清攝像機(jī)、顯卡、高清播放器等輸出的高清視頻信號(hào)可通過HDMI、DVI、YPbPr、VGA或SDI等接口輸入到系統(tǒng)中，通過H.264高清編碼卡完成高清視頻的高效實(shí)時(shí)編碼。系統(tǒng)內(nèi)部通過PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，PCI總線支持33或66MHz工作頻率，當(dāng)工作在33MHz時(shí)，其實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達(dá)到60~70MB/S，能滿足壓縮比特流和預(yù)覽數(shù)據(jù)的傳輸需求。

　　系統(tǒng)主控 CPU接收到高清編碼卡傳送來的壓縮比特流數(shù)據(jù)后，即可將其存儲(chǔ)至硬盤供日后查詢，也可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送至中心服務(wù)器或客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程回放或存儲(chǔ)。本地還支持在顯示器上進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)覽或回放等操作。

　　主控CPU可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行靈活選擇，支持x86、PPC、MIPS等架構(gòu)，操作系統(tǒng)可選用Linux、Windows 2000/XP或Windows 7等。 [nextpage]

　　3 基于視頻編碼芯片的多路高清視頻編碼卡

　　基于多路高清視頻編碼卡的結(jié)構(gòu)如圖二所示，由前端A/D芯片、視頻編碼芯片、DDR和PCI橋接芯片等組成。根據(jù)外部輸入信號(hào)的不同，可采用AD7401、EP9353或Intersil98003等不同的A/D芯片，從而可以非常靈活和方便地與外部高清輸入信號(hào)進(jìn)行接駁。該視頻編碼器(芯片)還能連接兩組獨(dú)立的DDR控制器，使得可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)對(duì)編碼器性能的需求配置一組或者兩組外部DDR或SDRAM。比如編碼一路720p視頻時(shí)，就只需配置一組DDR。該視頻編碼器(芯片)還具有與主控CPU通信的PCI接口，當(dāng)板卡中只有一顆視頻編碼芯片時(shí)，則可省略PCI橋接芯片。這些靈活的構(gòu)建策略可顯著降低系統(tǒng)BOM成本。

　　采用專用ASIC編碼芯片的好處是編碼性能高，開發(fā)簡單方便，周期短。如采用FPGA或DSP方案，首先是編碼性能很難達(dá)到，另外其復(fù)雜的開發(fā)步驟、極大的開發(fā)難度也阻礙實(shí)際應(yīng)用的快速開展。

　　圖 2基于H.264的多路高清視頻編碼卡框圖

　　基于視頻編碼器(芯片)的高清視頻編碼卡，除具有PCI從設(shè)備工作方式外，還設(shè)計(jì)了外部獨(dú)立供電工作方式，當(dāng)實(shí)際應(yīng)用僅需要一路高清時(shí)，另外一路的高清接口可復(fù)用為網(wǎng)口，這樣就能通過網(wǎng)絡(luò)將壓縮比特流進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。此時(shí)，PCI接口又可用來擴(kuò)展各種外設(shè)接口，如WIFI、3G、USB和SATA等。另外，該卡還設(shè)計(jì)了1個(gè)擴(kuò)展接口，用于外接高清CMOS Sensor模組。

　　4 系統(tǒng)關(guān)鍵特性

　　1) 多路可擴(kuò)展高清編碼性能

　　系統(tǒng)可通過PCI插槽插入多個(gè)高清視頻編碼卡，每個(gè)高清編碼卡可支持2~4個(gè)編碼芯片。單個(gè)視頻編碼芯片支持最大分辨率2048×1024的視頻輸入，支持1路1920×1080@30fps或者2路1280×720(1280×720@60fps)實(shí)時(shí)編碼。

　　這樣，在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)所具有的高清視頻輸入路數(shù)僅受限于編碼卡的大小、機(jī)箱尺寸和PCI插槽數(shù)量等。這些都可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的集成度。如對(duì)于普通具有4個(gè)PCI插槽的PC，插入4張高清視頻壓縮卡就能支持多達(dá)8路高清視頻的實(shí)時(shí)壓縮。而且，H.264視頻編碼由純硬件完成，占用系統(tǒng)資源非常少。 [nextpage]

　　2) 靈活的功能設(shè)置

　　除具有高性能的視頻編碼能力外，系統(tǒng)還具有豐富的視頻預(yù)處理功能和靈活的視頻編碼選項(xiàng)。編碼器的搜索范圍、Intra預(yù)測類型、GOP長度、參考幀個(gè)數(shù)、編碼碼率和碼率控制方式、編碼Profile和Level等都可根據(jù)需要進(jìn)行靈活設(shè)定，這樣就能保證和不同解碼能力的解碼器進(jìn)行無縫對(duì)接。另外，系統(tǒng)還支持對(duì)輸入視頻進(jìn)行去隔行、去噪聲、多個(gè)文本和圖形OSD疊加、圖像畫面縮小、移動(dòng)偵測等多種圖像處理功能，還支持抓取無損的原始視頻信號(hào)，供主機(jī)端進(jìn)行一些智能化分析和處理。如車牌識(shí)別，人臉識(shí)別等。

　　對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸或存儲(chǔ)等不同應(yīng)用，對(duì)碼流控制的要求是不同的。系統(tǒng)具有四種碼率控制策略：固定量化系數(shù)(QP：quantisation parameter)、恒定比特率(CBR：Constant Bit Rate)、可變比特率(VBR：Variable Bit Rate)和平均比特率(ABR：Average Bit Rate)。每種算法都經(jīng)過精心優(yōu)化，能自適應(yīng)對(duì)視頻場景進(jìn)行預(yù)先檢測和判斷，從而在保證視頻主觀質(zhì)量的同時(shí)，又使得編碼器輸出的碼率平滑和穩(wěn)定，保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性，避免多路高清視頻壓縮比特流對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬造成的劇烈影響。

　　通過配置不同的前端A/D芯片，系統(tǒng)能支持YpbPr、HDMI、DVI、VGA等多種高清視頻輸入模式，而且高清視頻的數(shù)據(jù)格式和同步方式均可配置，如24Bit 4：4：4 YCbCr、16Bit 4：2：2 YCbCr,、RGB 24(8：8：8)等。

　　另外，系統(tǒng)可接收來自CMOS/CCD 模組、視頻解碼器等輸出的數(shù)字視頻，還具有SPI、PCI、SD、UART、I2S、GPIO、I2C、MAC等多種外設(shè)接口，便于實(shí)際使用。

　　3) 系統(tǒng)延遲時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　在高清視頻系統(tǒng)中，端到端的延遲也是系統(tǒng)的一個(gè)重要考量。本文通過設(shè)計(jì)靈活的圖像分片編碼方式來降低整個(gè)視頻編碼的內(nèi)部延遲。如編碼720P格式的高清視頻時(shí)，每幀數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)緩沖的時(shí)間約16.7ms。通過圖像分片方式，只要有一個(gè)視頻分片完成輸入，則立即啟動(dòng)編碼，進(jìn)行編碼和比特流傳輸。從圖像的第一個(gè)有效行數(shù)據(jù)開始，輸入系統(tǒng)緩沖開始計(jì)時(shí)至編碼器輸出，整幀壓縮碼流的時(shí)間可以控制在20ms內(nèi)。而在解碼器端，每當(dāng)接收到一個(gè)圖像分片時(shí)，則可以啟動(dòng)解碼器進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼，而無需等待完整的幀碼流輸入解碼器緩沖，極大地降低了端到端的延遲。所以，系統(tǒng)的端到端延遲大部分將取決于網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，系統(tǒng)內(nèi)部編解碼延遲將只占很小比例。

　　這種超低延遲實(shí)時(shí)編碼技術(shù)可極大地降低整個(gè)系統(tǒng)的端到端延遲，從而改善和提高用戶主觀體驗(yàn)。如在交互式視頻游戲、遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用中就顯得尤為重要。

　　5 結(jié)語

　　這種基于H.264的多路高清視頻編碼系統(tǒng)方案，專門針對(duì)多路高清視頻編碼應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具有超強(qiáng)編碼性能、外設(shè)接口豐富、功能靈活和低延時(shí)等特點(diǎn)。當(dāng)實(shí)際應(yīng)用需對(duì)多路高清視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼和傳輸時(shí)，該方案能顯著降低系統(tǒng)成本，其高性能和易用性為高清或者多通道視頻壓縮應(yīng)用提供了全新的選擇和空間，能顯著地提高客戶產(chǎn)品性能，并減少開發(fā)時(shí)間，極大地滿足了高清視頻的發(fā)展需求。

　　目前，該方案已在安防視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議、高清視頻游戲、遠(yuǎn)程機(jī)房控制、遠(yuǎn)程教育和遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域都得到了實(shí)際應(yīng)用。

　　本文作者現(xiàn)任職于上海富瀚微電子公司有限公司

　　編輯意見：

　　感覺文章產(chǎn)品宣傳的色彩比較濃。

　　參考意見

　　1、文章對(duì)高清視頻編碼卡進(jìn)行了簡單的介紹，文通俗易懂，還較好，B+。

　　2、“產(chǎn)品宣傳”還算適度吧，整文未見有品牌、型號(hào)等。

　　3、稍作了文字調(diào)整請編輯看看妥否。

　　4、第四頁綠字，有疑問，是否請?jiān)髡咴俸艘幌?，寧多寫一二句不要太模糊，讓人難理解。