在米尔MPSOC实现12GSDI视频采集H.265压缩SGMII万兆以太网推流

FPGA开源工作室 2024-10-17 11:31

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1. 引言

随着网络视频平台的发展，用户对于4K高清画质的需求日益增长。然而，许多用户发现，即使购买了视频平台的会员，观看4K内容时画质却不如预期，有时甚至还会出现模糊、卡顿的情况。这种现象背后涉及到视频编码、网络带宽、和视频传输的诸多因素。

近期“影视飓风”发布的视频《清晰度不如4年前！视频变糊是你的错觉吗？》因讨论视频平台降低码率和改变编码格式以压缩视频画质，影响了内容表达。

4K视频清晰度下降的一个主要原因是平台为了节省带宽而压缩视频流，有时导致比特率降低，无法发挥4K分辨率的全部潜力。

在这种背景下，如何高效地压缩和传输4K视频成为了一个关键技术难题。本文将探讨如何通过米尔电子的ZU4EV MPSoC平台，接入真4k 60UHD-SDI视频源后，使用VCU进行高效H.265编解码，再通过SGMII万兆以太网实现网络推流，以确保高质量4K视频的流畅传输。

2. 视频质量下降的原因与优化方法

1）带宽瓶颈：在用户数量增加的情况下，服务器和网络的带宽常常无法满足4K视频流的需求。

2）压缩算法不足：传统的视频压缩技术在高分辨率内容上表现不佳，容易导致画面模糊。

3）视频流传输的优化

在推流过程中，网络带宽和视频压缩效率直接决定了视频播放的清晰度与流畅度。为了确保4K视频在万兆以太网上的高效传输，本设计采用以下优化措施：

合理的码率控制：在保证视频清晰度的前提下，调整H.265编码的目标码率，避免过低的码率影响视频质量或过高的码率导致带宽浪费或。通过CBR或VBR模式可以根据网络情况动态调整码率。
低延时模式：VCU支持低延时编码模式，确保视频在压缩和传输过程中保持尽可能低的延迟，提升用户的观看体验。
网络传输协议选择：根据应用场景选择合适的传输协议。对于实时性要求较高的场景，可选择UDP传输，而对于数据可靠性要求较高的场景，则推荐使用TCP协议。

3. MPSoC与VCU架构在4K UHD音视频广播领域的优势

1.高性能与低功耗的结合：Zynq UltraScale+ MPSoC采用了16nm FinFET工艺，集成了多核处理器和可编程逻辑，能够在提高性能的同时降低功耗，这对于音视频广播领域来说至关重要，因为它可以在保证高清晰度视频传输的同时，减少能源消耗。

2.实时压缩与解压缩能力：集成的VCU支持H.264/AVC和H.265/HEVC标准，能够实现高达4K UHD分辨率的视频的实时压缩和解压缩。这意味着在广播应用中，可以利用VCU进行高效的视频编码，减少存储空间和带宽的需求，同时保持视频质量。

3.多视频流处理能力：VCU能够同时处理多达八个不同的视频流，这对于需要同时广播多个视频源的4K UHD广播应用来说非常有用。这种多任务处理能力使得MPSoC成为多媒体中心和视频服务器的理想选择。

4.灵活性和可扩展性：MPSoC的可编程逻辑（PL）提供了任意到任意高速视频/音频接口的灵活性，可以为多媒体管道带来定制图像及视频处理功能的差异化效果。这种可编程性使得系统能够适应不断变化的音视频广播需求。

5.专用硬件加速：MPSoC提供了专用的处理引擎，如基于ARM Cortex A53的APU、Mali图形处理单元等，这些专用硬件能够加速图形和视频处理任务，提高系统的整体性能。

6.支持多种视频格式：VCU支持高达4:2:2 10位UHD-4K的视频格式，适合专业和高端消费级的制作与后期制作解决方案。这种广泛的格式支持使得MPSoC可以应用于各种不同的音视频广播场景。

7.集成的多媒体框架支持：MPSoC结合常见的多媒体框架GStreamer，可以开发硬件加速型多媒体应用。这种集成支持简化了开发过程，使得开发者能够快速实现复杂的音视频处理任务。

8.优化的功耗管理：Zynq UltraScale+ MPSoC将处理引擎、硬件编解码器等组件放置在具有独立电轨的不同电源域中，这种配置可用于为整个系统设计优化功耗管理方案，进一步降低系统功耗。

9.高速互联外设：MPSoC提供高速互联外设，如集成式DisplayPort接口模块，支持高达6 Gb/s的工作速率，这有助于处理来自PS或PL的实时音视频流，进一步降低系统BOM成本。

10.支持新一代地面数字电视广播技术：随着超高清电视时代的到来，MPSoC与VCU架构能够支持新一代地面数字电视广播技术，如DVB-T2、ATSC 3.0和DTMB-A等，这些技术支持更高的视频质量和新的广播应用模式。

综上所述，MPSoC与VCU架构在4K UHD音视频广播领域提供了高性能、低功耗、实时压缩解压缩、多视频流处理、灵活性、硬件加速、广泛格式支持、多媒体框架集成、优化的功耗管理和高速互联外设等多重优势，使其成为该领域理想的解决方案。

4. 系统架构概述

在本设计中，我们使用Zynq UltraScale+ MPSoC平台（具体型号为MYIR XCZU4EV），通过FPGA实现对SDI视频的H265压缩，并通过SGMII接口推送到万兆以太网上。系统架构主要包括以下几个部分：

1.视频输入：输入源可以是SDI摄像机、SDI信号发生器或通过HDMI转SDI设备从电脑接入的HDMI信号。视频信号通过TI公司的LMH1219芯片做均衡处理，并将单端信号转换为差分信号后输入FPGA。

2.SDI视频解码：FPGA中的UHD-SDI GT IP核用于SDI视频的解串，并将视频信号转换为AXI4-Stream格式供后续处理。通过SMPTE UHD-SDI RX SUBSYSTEM IP核，SDI视频被解码为RGB格式。

3.视频帧缓存与处理：解码后的视频信号存储在PS侧的DDR4中，通过Xilinx提供的Video Frame Buffer Write IP核实现。在这一阶段，可以对视频帧进行颜色转换、缩放等处理。

4.H.265视频压缩：使用Zynq UltraScale+ VCU IP核对存储的RGB视频帧进行H.265编码压缩。VCU支持YUV420格式的视频，编码分辨率最高可达到4K@60fps。

5.SGMII万兆以太网传输：经过H.265压缩后的视频流通过SGMII接口推送至万兆以太网。通过PetaLinux系统，利用TCP/UDP协议将压缩后的码流传输到PC或服务器端，用户可以通过VLC播放器等软件实时播放接收到的H.265码流。

5. 工程设计主要流程

1.SDI输入：通过LMH1219进行信号均衡，SDI信号转换为AXI4-Stream格式。

通过HDMI转SDI盒子，通过12G UHD-SDI输出4K 60FPS视频给FPGA，用户也可以使用SDI 工业相机；

2.视频解码：UHD-SDI GT IP核完成视频解串，SMPTE UHD-SDI RX SUBSYSTEM IP核将视频解码为RGB信号。

3.视频缓存：使用Video Frame Buffer Write IP核将视频写入DDR4。

用户可以选择在这里做出customer ISP，例如图像缩放，拼接

4.视频压缩：通过Zynq UltraScale+ VCU IP核对视频进行H265压缩。

5.网络传输：通过SGMII万兆以太网接口，将压缩后的H265视频流通过UDP协议推送至PC端，使用VLC播放器播放。

6. 结论

在视频内容不断向4K发展的大背景下，通过Zynq UltraScale+ MPSoC平台，基于VCU实现的SGMII万兆以太网视频压缩推流方案，不仅能够高效地压缩和传输4K视频，还可以确保较低的延迟和高质量的图像输出。该方案适用于视频监控、医疗影像、工业自动化等对高分辨率视频有需求的应用场景。

对于希望在网络视频平台上获得更好观看体验的用户来说，视频平台和服务提供商则需要在视频编码、网络传输等方面进行优化，以满足用户对于4K视频的画质需求。

7. 互动环节

在SGMII网兆以太网推流到PC端，因为是万兆网，CPU无法负担这里的高速吞吐率，这里我们需要用到网络卸载，米尔电子的MYC-7A100T双芯设计核心板可通过SFP采集SGMII万兆以太网数据后，PC通过PCIE读取视频源，实现万兆网口数据包卸载，我们会在后续系列文章中做出分享基于米尔MYC-7A100T SFP采集后PCIE XDMA中断读取。