在米爾MPSOC實(shí)現12G SDI視頻采集H.265壓縮SGMII萬(wàn)兆以太網(wǎng)推流

1.引言

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )視頻平臺的發(fā)展，用戶(hù)對于4K高清畫(huà)質(zhì)的需求日益增長(cháng)。然而，許多用戶(hù)發(fā)現，即使購買(mǎi)了視頻平臺的會(huì )員，觀(guān)看4K內容時(shí)畫(huà)質(zhì)卻不如預期，有時(shí)甚至還會(huì )出現模糊、卡頓的情況。這種現象背后涉及到視頻編碼、網(wǎng)絡(luò )帶寬、和視頻傳輸的諸多因素。    

近期“影視颶風(fēng)”發(fā)布的視頻《清晰度不如4年前！視頻變糊是你的錯覺(jué)嗎？》因討論視頻平臺降低碼率和改變編碼格式以壓縮視頻畫(huà)質(zhì)，影響了內容表達。

 4K視頻清晰度下降的一個(gè)主要原因是平臺為了節省帶寬而壓縮視頻流，有時(shí)導致比特率降低，無(wú)法發(fā)揮4K分辨率的全部潛力。

在這種背景下，如何高效地壓縮和傳輸4K視頻成為了一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。本文將探討如何通過(guò)米爾電子的ZU4EV MPSoC平臺，接入真4k 60UHD-SDI視頻源后，使用VCU進(jìn)行高效H.265編解碼，再通過(guò)SGMII萬(wàn)兆以太網(wǎng)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )推流，以確保高質(zhì)量4K視頻的流暢傳輸。

2.視頻質(zhì)量下降的原因與優(yōu)化方法

1）帶寬瓶頸：在用戶(hù)數量增加的情況下，服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò )的帶寬常常無(wú)法滿(mǎn)足4K視頻流的需求。

2）壓縮算法不足：傳統的視頻壓縮技術(shù)在高分辨率內容上表現不佳，容易導致畫(huà)面模糊。

3）視頻流傳輸的優(yōu)化在推流過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò )帶寬和視頻壓縮效率直接決定了視頻播放的清晰度與流暢度。為了確保4K視頻在萬(wàn)兆以太網(wǎng)上的高效傳輸，本設計采用以下優(yōu)化措施：

●   合理的碼率控制：在保證視頻清晰度的前提下，調整H.265編碼的目標碼率，避免過(guò)低的碼率影響視頻質(zhì)量或過(guò)高的碼率導致帶寬浪費或。通過(guò)CBR或VBR模式可以根據網(wǎng)絡(luò )情況動(dòng)態(tài)調整碼率。

●   低延時(shí)模式：VCU支持低延時(shí)編碼模式，確保視頻在壓縮和傳輸過(guò)程中保持盡可能低的延遲，提升用戶(hù)的觀(guān)看體驗。

●   網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議選擇：根據應用場(chǎng)景選擇合適的傳輸協(xié)議。對于實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)景，可選擇UDP傳輸，而對于數據可靠性要求較高的場(chǎng)景，則推薦使用TCP協(xié)議。

3.MPSoC與VCU架構在4K UHD音視頻廣播領(lǐng)域的優(yōu)勢

1.高性能與低功耗的結合：Zynq UltraScale+ MPSoC采用了16nm FinFET工藝，集成了多核處理器和可編程邏輯，能夠在提高性能的同時(shí)降低功耗，這對于音視頻廣播領(lǐng)域來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因為它可以在保證高清晰度視頻傳輸的同時(shí)，減少能源消耗。2.實(shí)時(shí)壓縮與解壓縮能力：集成的VCU支持H.264/AVC和H.265/HEVC標準，能夠實(shí)現高達4K UHD分辨率的視頻的實(shí)時(shí)壓縮和解壓縮。這意味著(zhù)在廣播應用中，可以利用VCU進(jìn)行高效的視頻編碼，減少存儲空間和帶寬的需求，同時(shí)保持視頻質(zhì)量。3.多視頻流處理能力：VCU能夠同時(shí)處理多達八個(gè)不同的視頻流，這對于需要同時(shí)廣播多個(gè)視頻源的4K UHD廣播應用來(lái)說(shuō)非常有用。這種多任務(wù)處理能力使得MPSoC成為多媒體中心和視頻服務(wù)器的理想選擇。4.靈活性和可擴展性：MPSoC的可編程邏輯（PL）提供了任意到任意高速視頻/音頻接口的靈活性，可以為多媒體管道帶來(lái)定制圖像及視頻處理功能的差異化效果。這種可編程性使得系統能夠適應不斷變化的音視頻廣播需求。5.專(zhuān)用硬件加速：MPSoC提供了專(zhuān)用的處理引擎，如基于A(yíng)RM Cortex A53的APU、Mali圖形處理單元等，這些專(zhuān)用硬件能夠加速圖形和視頻處理任務(wù)，提高系統的整體性能。

6.支持多種視頻格式：VCU支持高達4:2:2 10位UHD-4K的視頻格式，適合專(zhuān)業(yè)和高端消費級的制作與后期制作解決方案。這種廣泛的格式支持使得MPSoC可以應用于各種不同的音視頻廣播場(chǎng)景。
7.集成的多媒體框架支持：MPSoC結合常見(jiàn)的多媒體框架GStreamer，可以開(kāi)發(fā)硬件加速型多媒體應用。這種集成支持簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程，使得開(kāi)發(fā)者能夠快速實(shí)現復雜的音視頻處理任務(wù)。8.優(yōu)化的功耗管理：Zynq UltraScale+ MPSoC將處理引擎、硬件編解碼器等組件放置在具有獨立電軌的不同電源域中，這種配置可用于為整個(gè)系統設計優(yōu)化功耗管理方案，進(jìn)一步降低系統功耗。9.高速互聯(lián)外設：MPSoC提供高速互聯(lián)外設，如集成式DisplayPort接口模塊，支持高達6 Gb/s的工作速率，這有助于處理來(lái)自PS或PL的實(shí)時(shí)音視頻流，進(jìn)一步降低系統BOM成本。10.支持新一代地面數字電視廣播技術(shù)：隨著(zhù)超高清電視時(shí)代的到來(lái)，MPSoC與VCU架構能夠支持新一代地面數字電視廣播技術(shù)，如DVB-T2、ATSC 3.0和DTMB-A等，這些技術(shù)支持更高的視頻質(zhì)量和新的廣播應用模式。綜上所述，MPSoC與VCU架構在4K UHD音視頻廣播領(lǐng)域提供了高性能、低功耗、實(shí)時(shí)壓縮解壓縮、多視頻流處理、靈活性、硬件加速、廣泛格式支持、多媒體框架集成、優(yōu)化的功耗管理和高速互聯(lián)外設等多重優(yōu)勢，使其成為該領(lǐng)域理想的解決方案。

4.系統架構概述

在本設計中，我們使用Zynq UltraScale+ MPSoC平臺（具體型號為MYIR XCZU4EV），通過(guò)FPGA實(shí)現對SDI視頻的H265壓縮，并通過(guò)SGMII接口推送到萬(wàn)兆以太網(wǎng)上。系統架構主要包括以下幾個(gè)部分：

1.視頻輸入：輸入源可以是SDI攝像機、SDI信號發(fā)生器或通過(guò)HDMI轉SDI設備從電腦接入的HDMI信號。視頻信號通過(guò)TI公司的LMH1219芯片做均衡處理，并將單端信號轉換為差分信號后輸入FPGA。2.SDI視頻解碼：FPGA中的UHD-SDI GT IP核用于SDI視頻的解串，并將視頻信號轉換為AXI4-Stream格式供后續處理。通過(guò)SMPTE UHD-SDI RX SUBSYSTEM IP核，SDI視頻被解碼為RGB格式。3.視頻幀緩存與處理：解碼后的視頻信號存儲在PS側的DDR4中，通過(guò)Xilinx提供的Video Frame Buffer Write IP核實(shí)現。在這一階段，可以對視頻幀進(jìn)行顏色轉換、縮放等處理。4.H.265視頻壓縮：使用Zynq UltraScale+ VCU IP核對存儲的RGB視頻幀進(jìn)行H.265編碼壓縮。VCU支持YUV420格式的視頻，編碼分辨率最高可達到4K@60fps。5.SGMII萬(wàn)兆以太網(wǎng)傳輸：經(jīng)過(guò)H.265壓縮后的視頻流通過(guò)SGMII接口推送至萬(wàn)兆以太網(wǎng)。通過(guò)PetaLinux系統，利用TCP/UDP協(xié)議將壓縮后的碼流傳輸到PC或服務(wù)器端，用戶(hù)可以通過(guò)VLC播放器等軟件實(shí)時(shí)播放接收到的H.265碼流。

5.工程設計主要流程

1.SDI輸入：通過(guò)LMH1219進(jìn)行信號均衡，SDI信號轉換為AXI4-Stream格式。通過(guò)HDMI轉SDI盒子，通過(guò)12G UHD-SDI輸出4K 60FPS視頻給FPGA，用戶(hù)也可以使用SDI 工業(yè)相機；

2.視頻解碼：UHD-SDI GT IP核完成視頻解串，SMPTE UHD-SDI RX SUBSYSTEM IP核將視頻解碼為RGB信號。

3.視頻緩存：使用Video Frame Buffer Write IP核將視頻寫(xiě)入DDR4。

用戶(hù)可以選擇在這里做出customer ISP，例如圖像縮放，拼接

4.視頻壓縮：通過(guò)Zynq UltraScale+ VCU IP核對視頻進(jìn)行H265壓縮。

5.網(wǎng)絡(luò )傳輸：通過(guò)SGMII萬(wàn)兆以太網(wǎng)接口，將壓縮后的H265視頻流通過(guò)UDP協(xié)議推送至PC端，使用VLC播放器播放。

6.結論

在視頻內容不斷向4K發(fā)展的大背景下， 通過(guò)Zynq UltraScale+ MPSoC平臺，基于VCU實(shí)現的SGMII萬(wàn)兆以太網(wǎng)視頻壓縮推流方案，不僅能夠高效地壓縮和傳輸4K視頻，還可以確保較低的延遲和高質(zhì)量的圖像輸出。該方案適用于視頻監控、醫療影像、工業(yè)自動(dòng)化等對高分辨率視頻有需求的應用場(chǎng)景。

對于希望在網(wǎng)絡(luò )視頻平臺上獲得更好觀(guān)看體驗的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，視頻平臺和服務(wù)提供商則需要在視頻編碼、網(wǎng)絡(luò )傳輸等方面進(jìn)行優(yōu)化，以滿(mǎn)足用戶(hù)對于4K視頻的畫(huà)質(zhì)需求。

7.互動(dòng)環(huán)節

在SGMII網(wǎng)兆以太網(wǎng)推流到PC端，因為是萬(wàn)兆網(wǎng)，CPU無(wú)法負擔這里的高速吞吐率，這里我們需要用到網(wǎng)絡(luò )卸載，米爾電子的MYC-7A100T雙芯設計核心板可通過(guò)SFP采集SGMII萬(wàn)兆以太網(wǎng)數據后，PC通過(guò)PCIE讀取視頻源，實(shí)現萬(wàn)兆網(wǎng)口數據包卸載，我們會(huì )在后續系列文章中做出分享基于米爾MYC-7A100T SFP采集后PCIE XDMA中斷讀取。

圖 MYD-7A100T開(kāi)發(fā)板

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