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FPGA低延时视频转换器/方案定制

超低时延窄带高清编解码系统,采用自主知识产权的高质量图像处理核心技术,用于处理1080P 高清图像的H.264协议压缩编码。实现高清图像的数据压缩功能,系统具有使用方便,灵活集成,功耗低的特点。超低时延、低带宽、高清编解码系统是兼容ISO/IEC 14496-10/ITU-T H.264 High Profile的视频编码器,支持8位4:2:0和4:2:2格式的实时编码。是客户完成高吞吐速率,和HD级分辨率的纯硬件编码的最优FPGA解决方案。
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1概述

超低时延窄带高清编解码系统,采用自主知识产权的高质量图像处理核心技术,用于处理1080P 高清图像的H.264协议压缩编码。实现高清图像的数据压缩功能,系统具有使用方便,灵活集成,功耗低的特点。超低时延、低带宽、高清编解码系统是兼容ISO/IEC 14496-10/ITU-T H.264 High Profile的视频编码器,支持8420422格式的实时编码。是客户完成高吞吐速率,和HD级分辨率的纯硬件编码的最优FPGA解决方案。

超低时延窄带高清编解码系统专为XILINX器件进行了优化,相较于其他编码器使用了更少的逻辑资源。内部逻辑结构更小,仅需少量的外部存储器带宽,无需额外的处理器参与即可完成超低功耗的高吞吐H.264编码。

由于无CPU参与和额外的帧缓冲,超低时延窄带高清编解码 系统在实现高品质视频与低码率的同时,实现了超低延迟的系统需求。支持使用恒定量化值的的码率控制方式(VBR),或者自动根据带宽需要,步进式调整量化值的恒定码率控制方式(CBR),同时支持客户使用任意其他方式的组合码率控制方式,完成码率的实时刷新。

系统为便于使用与集成对接口进行了封装设计,一旦初始化完成,即完全无需其他的任何CPU与总线操作。外部存储器接口极为灵活,使用不同的时钟域,独立于外部存储器控制器与外部存储器类型,采用预缓冲模式,用户无需担心存储器部分所造成的高延迟。

2产品功能技术指标

2.1设计结构方框图

1编码系统框

图2 解码系统框架


2.2产品特点与功能

超低时延窄带高清编解码系统采用完全自主知识产权的H.264编解码算法,核心算法基于Xilinx公司的ZYNQ系列器件作为核心处理器件(纯FPGA方案实现),系统端到端平均延时30ms,可有效满足低带宽、超低延时、高品质的视频数据链以及需要超高清晰度、超低延时的视频监控、视频会议和分布式显控系统高清低时延等场景,系统完美的实现了系统高性能、高可定制化、高灵活性,在国内处于领先水平,主要有以下特点:

低带宽:对带宽要求不高,64kbps ~100Mbps以内就可以满足,适合多节点扩展;

超低时延:端到端的时延控制在30ms左右,满足实时性要求很高的场合;

高品质:图像格式支持YUV4:2:2YUV4:2:0,分辨率最高支持1080P60

图像质量通过了各类标准正斜线、水平线、网格、渐变、饱和度等多项检测,无噪点无抖动无色差;

兼容ITU-T H.264ISO/IEC 14496-10标准;

采用完全独立的时钟域进行编码;

全部采用标准FIFO接口;

兼容xilinx-AXI4-Stream接口;

所有IO信号采用寄存器寄存;

所有内部信号支持实时复位;

超低外部存储器带宽需求;

支持无DDR模式;

无需额外的时序约束;

全部采用HDL编码,无特定器件限制;

提供完整的参考设计工程,简化客户逻辑设计,无需专业的相关知识即可快速集成。

2.3主要技术指标

最高支持1920×1200P60等典型分辨率;

编解码端到端延时控制在30ms以内,特殊场景可优化至20ms

编解码格式:H.264

编解码复杂度:Main/High profile

图像格式:图像色彩分辨率空间支持YUV4:2:0YUV4:2:2

编码端I帧间隔可调,范围0-300

可快速QP调整,支持任意大小宏块的QP值变换,支持根据缓冲大小的动态自适应码率调整,支持定码流和变码流,输出码率范围:64kbps ~100Mbps

网络协议支持:UDP,支持单播和组播;

支持OSD字符叠加,可设置字符内容及样式;

2.4编码器可配置项

序号

配置项

说明

1

源系统IP地址

2

目的端IP系统

3

发送端端口。

4

目的端端口

5

MAC地址

6

目的端MAC地址

7

图像分辨率

8

GOP:控制I帧间隔, 即控制Gound of Picture

9

码率模式

定码率和变码流

10

图像色彩分辨率模式

YUV 4:2:0YUV4:2:2

11

音频信号系统端口

12

帧率


2.5解码器可配置项

序号

配置项

说明

1

源系统IP地址

2

目的端IP系统

3

发送端端口。

4

目的端端口

5

MAC地址

6

目的端MAC地址

2.6编码及解码软件控制流程图

图 3 软件控制流程图

2.7  FPGA资源占用情况

编码系统 (Xilinx Zynq 7030)

运行主时钟300MHz

stage

DFFs

LUTs

BRAMs

DSP48s

DDR带宽

Synthesis

52K

56K

85

53

12Gbps


解码系统 (Xilinx Zynq 7030)

运行主时钟200MHz

stage

DFFs

LUTs

BRAMs

DSP48s

DDR带宽

Synthesis

21K

43K

41

112

8Gbps

3独特优势

3.1低带宽(窄带)

部分厂家,采用JPG2000/VC2的图像压缩技术,采用高带宽、浅压缩的方式实现视频信号的同步,该方案视频格式和传输协议为私有协议,对带宽要求很高,一般带宽要求在100M-500M,不适合大规模节点的并发和扩容,兼容性不强;

我们的编解码系统对带宽要求不高,常规的64kbps ~100Mbps以内就可以满足视频图像传输,适合多节点扩展,支持标准的H.264视频压缩算法,兼容性好。

3.2超低时延

市面上部分厂家采用DSP方案和海思方案实现H.264的编解码方案,特点是架构定制性不强、不够灵活,对于多通道高性能的场景无法适用,且延时大多在100ms以上。

基于FPGA的编解码器端到端的时延控制在30ms以内,满足实时性要求很高的场合。


4 低时延编解码延时小于30ms

3.3高品质

图像格式支持YUV4:2:2YUV4:2:0,分辨率最高支持1080P60;图像质量通过了各类标准正斜线、水平线、网格、渐变、饱和度等多项检测,无噪点无抖动无色差。

高品质画面,为用户带来超清的画质体验。

5 低时延编解码图像还原度高示意图

3.4解决行业痛点

基于该系统开发的产品,可为用户同时带来超高画质、超低带宽、超低时延、兼容互通、运行可靠的超强体验,较好了解决了行业内对带宽、画质、延时的三者之间平衡的要求。

系统采用FPGA+ARM的技术架构,灵活性高,兼容性好。时延和图像质量指标高于市面主流产品;支持20种不同分辨率格式(1920*1200P601024*768P60)的视频源,可灵活设置不同分辨率下的低时延编解码,适应面广。使用码流平滑处理技术,使得网络带宽占用平缓,有利于网络及视频显示的稳定。系统兼容性好:标准H.264编码,与现役主流监控、指挥、会议系统等无缝兼容;便于扩展升级:H.26X系列编解码技术应用广泛,技术升级快,项目维护有保障。

3.5主流产品对比

方案平台

标准

图像格式

视频

时延

带宽要求

架构灵活度

ASIC

H.264

YUV420

流畅

200ms

10-30M

需升级换代

DSP

H.264

YUV420

流畅

100ms

10-30M

硬件接口受限

FPGA/DSP

JPG2000

无损压缩

流畅

70ms

200-400M

无法适应大规模节点

FPGA/DSP

VC-2

无损压缩

流畅

50ms

300-500M

带宽要求太高

部分国外的系统

H.264

YUV420

简单应用场景

70ms

10-50M

适合图像质量要求较低的监控类应用。

我们的系统

H.264

YUV422

流畅

30ms

64kbps ~100Mbps

多分辨率自适应、框架应用成熟,框架经过7*24小时产品考验

4应用场景

4.1:用于光电吊舱的图像编码、传输、解码

特点:史上延时最低的光电吊舱图像处理模块,获取红外/可见光信息,经数据链传输到地控,整体延时小于200ms,军工品质、宽温设计(-40℃至85℃),支持2M/4M/8M等多种带宽传输,支持网络等多种接口
适用场景:应用在各类光电吊舱,适合无人机、无人艇、无人车、舰载等多种场景,解决目前无人机光电吊舱到地面端延时较大的问题,配合解码端,降低实时观察画面的延时,同时提高跟踪算法识别率的连续性,有效提升目标跟踪的实时性。

4.2:高速飞行器红外和可见光图像编码、传输、解码
特点:史上延时最低的高速飞行器图像处理模块,获取红外/可见光信息,经数据链传输到地控,整体延时小于140ms,军工品质、宽温设计(-40℃至85℃),支持2M/4M/8M等多种带宽传输,支持网络等多种接口。
适用场景:主要应用在高速飞行器的实时跟踪画面和实时控制,支持图像/遥测遥控数据的上下行透传,重点:无需抽帧,无需抽帧。



4.3:用于反无人机系统中的的视频编码、传输、解码
适用场景和特点:应用在反无人机系统中,解决目前SDI网络摄像机延时较大,通过SDI低延时视频转换器,对采集的视频以极低的延时传输到后端平台,提高反无人机跟踪算法识别率的连续性,有效提升无人机目标跟踪的实时性。



4.4:用于远程医疗的音视频编解码、传输、存储、解码
适用场景和特点:应用在远程医疗,解决目前音视频远程传输延时较大,通过低延时视频转换器,对采集的音视频以极低的延时传输到后端平台,满足远程医疗手术以及远程医疗教学相关的实时性要求较高的应用。




5其他

5.1 我们的服务

超低时延窄带高清视频编解码解决方案和系列产品;

面向2K/4K的高清视频编解码解决方案和系列产品;

国产化音视频编解码解决方案;

提供二次开发手册和技术支持。

5.2 产品的优势

产品形态可定制性强;

采用FPGA+ARM的技术架构,灵活性高,兼容性好;

时延和图像质量指标高于市面主流产品;

支持20种不同分辨率格式(1920*1200P601024*768P60)的视频源,可灵活设置不同分辨率下的低时延编解码,适应面广。

6其他产品

全国产化高清窄带音视频编码器、高清窄带音视频解码器、超低延时窄带音视频编解码解决方案及系列产品。