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。
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。
图2 解码系统框架
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YUV4:2:2和YUV4:2:0,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.264与ISO/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。
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YUV4:2:0和YUV4:2:2;
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;
序号 |
配置项 |
说明 |
1 |
源系统IP地址 |
|
2 |
目的端IP系统 |
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3 |
发送端端口。 |
|
4 |
目的端端口 |
|
5 |
源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 |
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9 |
码率模式 |
定码率和变码流 |
10 |
图像色彩分辨率模式 |
YUV 4:2:0和YUV4:2:2 |
11 |
音频信号系统端口 |
|
12 |
帧率 |
|
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 |
源MAC地址 |
|
6 |
目的端MAC地址 |
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图 3 软件控制流程图
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 |
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。
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。
图4 低时延编解码延时小于30ms
图像格式支持YUV4:2:2和YUV4:2:0,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。
图5 低时延编解码图像还原度高示意图
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*1200P60—1024*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。
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 |
4.2: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。
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。
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*1200P60—1024*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。
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。