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

1. 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)視頻平臺(tái)的發(fā)展，用戶(hù)對(duì)于4K高清畫(huà)質(zhì)的需求日益增長(zhǎng)。然而，許多用戶(hù)發(fā)現(xiàn)，即使購(gòu)買(mǎi)了視頻平臺(tái)的會(huì)員，觀看4K內(nèi)容時(shí)畫(huà)質(zhì)卻不如預(yù)期，有時(shí)甚至還會(huì)出現(xiàn)模糊、卡頓的情況。這種現(xiàn)象背后涉及到視頻編碼、網(wǎng)絡(luò)帶寬、和視頻傳輸?shù)闹T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(cuò)覺(jué)嗎？》因討論視頻平臺(tái)降低碼率和改變編碼格式以壓縮視頻畫(huà)質(zhì)，影響了內(nèi)容表達(dá)。

4K視頻清晰度下降的一個(gè)主要原因是平臺(tái)為了節(jié)省帶寬而壓縮視頻流，有時(shí)導(dǎo)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(tái)，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(xiàn)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(shù)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(tǒng)的視頻壓縮技術(shù)在高分辨率內(nèi)容上表現(xiàn)不佳，容易導(dǎo)致畫(huà)面模糊。

3）視頻流傳輸?shù)膬?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(shè)計(jì)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(diào)整H.265編碼的目標(biāo)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(dǎo)致帶寬浪費(fèi)或。通過(guò)CBR或VBR模式可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況動(dòng)態(tài)調(diào)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)的觀看體驗(yàn)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議選擇：根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的傳輸協(xié)議。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)景，可選擇UDP傳輸，而對(duì)于數(shù)據(jù)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(gòu)在4K UHD音視頻廣播領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

1.高性能與低功耗的結(jié)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(duì)于音視頻廣播領(lǐng)域來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)樗梢栽诒ＷC高清晰度視頻傳輸?shù)耐瑫r(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(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)4K UHD分辨率的視頻的實(shí)時(shí)壓縮和解壓縮。這意味著在廣播應(yīng)用中，可以利用VCU進(jìn)行高效的視頻編碼，減少存儲(chǔ)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(dá)八個(gè)不同的視頻流，這對(duì)于需要同時(shí)廣播多個(gè)視頻源的4K UHD廣播應(yīng)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(kuò)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(tǒng)能夠適應(yīng)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ARM 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(tǒng)的整體性能。

6.支持多種視頻格式：VCU支持高達(dá)4:2:2 10位UHD-4K的視頻格式，適合專(zhuān)業(yè)和高端消費(fèi)級(jí)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(yīng)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(jié)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(yīng)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(xiàn)復(fù)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(dú)立電軌的不同電源域中，這種配置可用于為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化功耗管理方案，進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

9.高速互聯(lián)外設(shè)：MPSoC提供高速互聯(lián)外設(shè)，如集成式DisplayPort接口模塊，支持高達(dá)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(tǒng)BOM成本。

10.支持新一代地面數(shù)字電視廣播技術(shù)：隨著超高清電視時(shí)代的到來(lái)，MPSoC與VCU架構(gòu)能夠支持新一代地面數(shù)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(yīng)用模式。

綜上所述，MPSoC與VCU架構(gòu)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(shè)等多重優(yōu)勢(shì)，使其成為該領(lǐng)域理想的解決方案。

4. 系統(tǒng)架構(gòu)概述

在本設(shè)計(jì)中，我們使用Zynq UltraScale+ MPSoC平臺(tái)（具體型號(hào)為MYIR XCZU4EV），通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tǒng)架構(gòu)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(jī)、SDI信號(hào)發(fā)生器或通過(guò)HDMI轉(zhuǎn)SDI設(shè)備從電腦接入的HDMI信號(hào)。視頻信號(hào)通過(guò)TI公司的LMH1219芯片做均衡處理，并將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為AXI4-Stream格式供后續(xù)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(hào)存儲(chǔ)在PS側(cè)的DDR4中，通過(guò)Xilinx提供的Video Frame Buffer Write IP核實(shí)現(xiàn)。在這一階段，可以對(duì)視頻幀進(jìn)行顏色轉(zhuǎn)換、縮放等處理。

4.H.265視頻壓縮：使用Zynq UltraScale+ VCU IP核對(duì)存儲(chǔ)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(dá)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(tǒng)，利用TCP/UDP協(xié)議將壓縮后的碼流傳輸?shù)絇C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(shè)計(jì)主要流程

1.SDI輸入：通過(guò)LMH1219進(jìn)行信號(hào)均衡，SDI信號(hào)轉(zhuǎn)換為AXI4-Stream格式。

通過(guò)HDMI轉(zhuǎn)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(jī)；

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(hào)。

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(duì)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(jié)論

在視頻內(nèi)容不斷向4K發(fā)展的大背景下， 通過(guò)Zynq UltraScale+ MPSoC平臺(tái)，基于VCU實(shí)現(xiàn)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(jiān)控、醫(yī)療影像、工業(yè)自動(dòng)化等對(duì)高分辨率視頻有需求的應(yīng)用場(chǎng)景。

對(duì)于希望在網(wǎng)絡(luò)視頻平臺(tái)上獲得更好觀看體驗(yàn)的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，視頻平臺(tái)和服務(wù)提供商則需要在視頻編碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行優(yōu)化，以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)于4K視頻的畫(huà)質(zhì)需求。

7. 互動(dòng)環(huán)節(jié)

在SGMII網(wǎng)兆以太網(wǎng)推流到PC端，因?yàn)槭侨f(wàn)兆網(wǎng)，CPU無(wú)法負(fù)擔(dān)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(shè)計(jì)核心板可通過(guò)SFP采集SGMII萬(wàn)兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)后，PC通過(guò)PCIE讀取視頻源，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)兆網(wǎng)口數(shù)據(jù)包卸載，我們會(huì)在后續(xù)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。

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圖：MYD-7A100T開(kāi)發(fā)板