1 前言

　　高清視頻和傳統(tǒng)標清視頻相比在視頻質量上有了質的飛躍，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到1280×720甚至1920×1080，能極大地提高主觀視頻體驗。以往由于芯片編碼能力、網(wǎng)絡帶寬和存儲技術等眾多因素制約，高清視頻一直沒能得到廣泛應用，但隨著視頻編碼、IC設計、寬帶網(wǎng)絡及大容量存儲等技術的飛速發(fā)展，高清視頻應用的主要障礙都已被掃清。

　　視頻監(jiān)控產(chǎn)品經(jīng)歷了模擬時代、數(shù)字時代、網(wǎng)絡時代的發(fā)展之后，現(xiàn)已將逐步進入高清時代，高清視頻監(jiān)控已被越來越多的行業(yè)所關注和應用，如平安城市、公安系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、金融銀行系統(tǒng)、機場、海關、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、遠程教育和遠程醫(yī)療等領域。這些行業(yè)用戶的普遍特點都需要高清晰度視頻圖像，要求對不止一路的高清視頻進行高效實時編碼、傳輸和存儲，另外還需要系統(tǒng)具有良好的可擴展能力等。H.264/AVC視頻編碼標準由于具有優(yōu)異的編碼效率，能極大地降低高清視頻傳輸?shù)木W(wǎng)絡帶寬和存儲容量需求，從而成為了高清視頻編碼方案的必然選擇。

　　針對這些行業(yè)用戶的需求，一種基于H.264的多路高清視頻編碼系統(tǒng)應運而生。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格式高清視頻實時編碼，支持HDMI、DVI、YPbPr、VGA等多種高清輸入接口，還可根據(jù)應用需求靈活配置高清視頻壓縮卡數(shù)量。

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

　　2 基于H.264多路高清視頻編碼系統(tǒng)設計

　　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H.264編碼器構成。模擬高清攝像機、顯卡、高清播放器等輸出的高清視頻信號可通過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時編碼。系統(tǒng)內部通過PCI總線進行數(shù)據(jù)通信，PCI總線支持33或66MHz工作頻率，當工作在33MHz時，其實際的數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達到60~70MB/S，能滿足壓縮比特流和預覽數(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，即可將其存儲至硬盤供日后查詢，也可通過網(wǎng)絡實時發(fā)送至中心服務器或客戶端進行遠程回放或存儲。本地還支持在顯示器上進行實時預覽或回放等操作。

　　主控CPU可根據(jù)實際應用需求進行靈活選擇，支持x86、PPC、MIPS等架構，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構如圖二所示，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進行接駁。該視頻編碼器(芯片)還能連接兩組獨立的DDR控制器，使得可以根據(jù)實際系統(tǒng)對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，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，當板卡中只有一顆視頻編碼芯片時，則可省略PCI橋接芯片。這些靈活的構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到，另外其復雜的開發(fā)步驟、極大的開發(fā)難度也阻礙實際應用的快速開展。

　　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從設備工作方式外，還設計了外部獨立供電工作方式，當實際應用僅需要一路高清時，另外一路的高清接口可復用為網(wǎng)口，這樣就能通過網(wǎng)絡將壓縮比特流進行實時傳輸。此時，PCI接口又可用來擴展各種外設接口，如WIFI、3G、USB和SATA等。另外，該卡還設計了1個擴展接口，用于外接高清CMOS Sensor模組。

　　4 系統(tǒng)關鍵特性

　　1) 多路可擴展高清編碼性能

　　系統(tǒng)可通過PCI插槽插入多個高清視頻編碼卡，每個高清編碼卡可支持2~4個編碼芯片。單個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)實時編碼。

　　這樣，在實際應用中系統(tǒng)所具有的高清視頻輸入路數(shù)僅受限于編碼卡的大小、機箱尺寸和PCI插槽數(shù)量等。這些都可根據(jù)實際需求進行定制，從而進一步提高了系統(tǒng)的集成度。如對于普通具有4個PCI插槽的PC，插入4張高清視頻壓縮卡就能支持多達8路高清視頻的實時壓縮。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處理功能和靈活的視頻編碼選項。編碼器的搜索范圍、Intra預測類型、GOP長度、參考幀個數(shù)、編碼碼率和碼率控制方式、編碼Profile和Level等都可根據(jù)需要進行靈活設定，這樣就能保證和不同解碼能力的解碼器進行無縫對接。另外，系統(tǒng)還支持對輸入視頻進行去隔行、去噪聲、多個文本和圖形OSD疊加、圖像畫面縮小、移動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，供主機端進行一些智能化分析和處理。如車牌識別，人臉識別等。

　　對于網(wǎng)絡傳輸或存儲等不同應用，對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，能自適應對視頻場景進行預先檢測和判斷，從而在保證視頻主觀質量的同時，又使得編碼器輸出的碼率平滑和穩(wěn)定，保證網(wǎng)絡傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性，避免多路高清視頻壓縮比特流對網(wǎng)絡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等多種外設接口，便于實際使用。

　　3) 系統(tǒng)延遲時優(yōu)化設計

　　在高清視頻系統(tǒng)中，端到端的延遲也是系統(tǒng)的一個重要考量。本文通過設計靈活的圖像分片編碼方式來降低整個視頻編碼的內部延遲。如編碼720P格式的高清視頻時，每幀數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)緩沖的時間約16.7ms。通過圖像分片方式，只要有一個視頻分片完成輸入，則立即啟動編碼，進行編碼和比特流傳輸。從圖像的第一個有效行數(shù)據(jù)開始，輸入系統(tǒng)緩沖開始計時至編碼器輸出，整幀壓縮碼流的時間可以控制在20ms內。而在解碼器端，每當接收到一個圖像分片時，則可以啟動解碼器進行實時解碼，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)絡傳輸延遲，系統(tǒng)內部編解碼延遲將只占很小比例。

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

　　5 結語

　　這種基于H.264的多路高清視頻編碼系統(tǒng)方案，專門針對多路高清視頻編碼應用進行了優(yōu)化，具有超強編碼性能、外設接口豐富、功能靈活和低延時等特點。當實際應用需對多路高清視頻進行實時編碼和傳輸時，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、視頻會議、高清視頻游戲、遠程機房控制、遠程教育和遠程醫(yī)療等領域都得到了實際應用。

　　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、文章對高清視頻編碼卡進行了簡單的介紹，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、型號等。

　　3、稍作了文字調整請編輯看看妥否。

　　4、第四頁綠字，有疑問，是否請原作者再核一下，寧多寫一二句不要太模糊，讓人難理解。