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          用Zynq SoC 設計低時延H.264系統

          作者:Allen Vexler 時間:2014-03-06 來源:電子產品世界 收藏

            小型快速的流式視頻系統結合采用微型核和 。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/234275.htm

                  ASSP架構不靈活,而基于微處理器組合的系統雖然尺寸大但較為靈活,一直以來設計人員為創(chuàng)建PCB占位面積小的基于IP的流式視頻系統,除了在這兩者之間反復權衡外別無他選。將軟核微處理器集成到,就無需單獨的處理器和DRAM,但最終系統的性能可能無法與以外部ARM?處理器為核心且可能還包括USB、以太網及其它有用外設構建的解決方案所提供的性能相媲美。隨著?-7000 All Programmable  和小型核的問世,現在僅用一組DRAM就可在超小型PCB板上構建出一個具有用多條高速AXI4總線連接起來的ARM雙核和高速外設所實現的高性能的系統(見圖1)。

            雖然針對核問世已有相當長的一段時間,但至今仍沒有一款H.264核夠快夠小,能夠達到足以轉換1080p30幀視頻的水平,而且仍舊適用于小型低成本器件。將A2e Technologies公司的最新微型H.264核與 結合使用,可構建一種低時延系統,該系統能夠以15-60fps的不同幀速率對720p-4K之間的多種視頻流進行編/解碼。將A2e Technologies H.264核集成到Zynq SoC器件中,可大幅縮減板級空間并明顯減少組件數,同時在Zynq SoC集成ARM雙核還可避免使用單獨的微處理器及其必須連接的存儲體。

            圖1 - 基于單芯片 Zynq SoC的視頻壓縮系統 (上)與基于雙芯片處理器和FPGA的視頻壓縮系統對比

            這樣可以構建出一個以Linux驅動程序和實時流協議(RTSP)服務器為核心的完整流式視頻系統,該系統能夠對來自兩個攝像頭的1080p30幀視頻進行壓縮,且端到端時延約為10毫秒。A2e Technologies H.264核提供純編碼版和編/解碼版兩個版本。此外,還有一款低時延版本,可將編碼時延降至5毫秒以下。1080p30純編碼版需要10000個查找表(LUT),或者說會占用Zynq Z7020 FPGA架構25%左右的資源,而編/解碼版則需要11,000個查找表。

            基于SOC-FPGA的系統

            基于Zynq SoC的產品比采用特定應用標準產品(ASSP)構建的產品靈活性更高。例如,通過在FPGA架構中內置4個H.264核,并將每個攝像頭輸入端連接到FPGA,就可以很容易構建一個支持1080p30輸入的系統。許多ASSP產品只有兩個輸入端,這讓設計人員不得不想辦法多路復用若干視頻流到一個輸入端。每個A2e Technologies H.264核能夠處理六個VGA分辨率攝像頭或一個1080p30分辨率攝像頭。因此,有可能構建一個雙核系統,以便對來自12個VGA攝像頭輸入的視頻進行壓縮。

            ASSP產品通常僅對已解碼視頻提供屏幕視控(OSD)功能,這迫使設計人員將OSD信息作為元數據發(fā)送或使用ARM內核測定視頻幀時間并以編程方式將OSD數據寫入視頻緩沖區(qū)。在FPGA中,在進行視頻壓縮前添加OSD如同訪問IP模塊一樣簡單。同時在壓縮引擎前添加魚眼鏡頭校正等其它處理模塊,也相對容易。此外,FPGA還支持功能的現場與未來升級,例如添加H.265 壓縮功能。圖2是帶有兩個1080p30攝像頭輸入的H.264壓縮引擎方框圖,其中OSD適用于未壓縮圖像。

            如何應對延時

            某些應用程序,如遙控飛行器(RPV)的控制,是基于遙控裝置發(fā)回的流媒體圖像反饋。為了控制遙控裝置,從傳感器發(fā)送視頻至壓縮引擎到解碼圖像顯示(稱為“玻璃對玻璃”)之間的時延通常要小于100毫秒。一些設計人員將時延規(guī)定在50毫秒內。總時延是如下幾項的和:

            視頻處理時間(ISP、魚眼鏡頭校正等)

            ?填充幀緩沖的延遲

            ?壓縮時間

            ?發(fā)送數據包引起的軟件延遲

            ?網絡延遲

            ?接收數據包引起的軟件延遲

            ?視頻解碼時間

            許多系統采用硬件對視頻進行編碼,但最終卻采用標準的視頻播放器進行解碼,如在PC上運行的VLC。即使媒體播放器的緩沖延遲可從一般的500-1000毫秒大幅減少,但時延仍然遠遠超過50毫秒。要真正控制時延并保持在絕對最低水平,就需要對已壓縮視頻流進行硬件解碼,而且要求緩沖最小。

            H.264編碼器時延通常以幀來表示,如一般在壓縮開始前必須緩沖一個完整幀的時間。假設編碼器速度可以提高,那么僅通過幀速率加倍即可降低編碼時延,也就是說,幀速率為30fps時每幀時延為33毫秒,而幀速率為60fps時每幀時延則為16.5毫秒。

          攝像頭相關文章:攝像頭原理

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          關鍵詞: 賽靈思 H.264 Zynq FPGA SoC

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