用Zynq SoC 設(shè)計(jì)低時(shí)延H.264系統(tǒng)

　　一種典型的流式視頻系統(tǒng)采用RTSP服務(wù)器在攝像頭與客戶端(解碼/記錄)設(shè)備之間創(chuàng)建流式視頻連接。RTSP服務(wù)器將已壓縮的視頻傳送至客戶端以供顯示或存儲(chǔ)。

　　很多時(shí)候，由于攝像機(jī)和編碼器的性能限制該方案無(wú)法實(shí)施。因此，該解決方案是專門設(shè)計(jì)用于低延編碼器。而最新A2e Technologies低延時(shí)編碼器只有16個(gè)視頻線才需要在壓縮開(kāi)始前進(jìn)行緩沖。對(duì)于1080p30視頻流而言，時(shí)延不足500微秒(μs)。而對(duì)于480p30視頻流而言，時(shí)延則低于1毫秒。設(shè)計(jì)人員采用這種低時(shí)延編碼器可構(gòu)建出時(shí)延可預(yù)測(cè)且很低的系統(tǒng)。

　　為使總時(shí)延最小化，必須同時(shí)最大限度地降低編碼側(cè)和解碼側(cè)上緩沖、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、RTSP服務(wù)器/客戶端等引起的時(shí)延，因?yàn)檐浖窂綍?huì)產(chǎn)生很長(zhǎng)的時(shí)延，而在這種情況下采用低時(shí)延編碼器毫無(wú)意義。RTSP服務(wù)器通常用來(lái)在服務(wù)器(攝像頭)與客戶端(解碼/記錄)設(shè)備之間創(chuàng)建流式視頻連接。連接建立后，RTSP服務(wù)器會(huì)將壓縮的視頻傳送至客戶端以供顯示或存儲(chǔ)。

　　延時(shí)最小低化時(shí)延

　　通常情況下，服務(wù)器和客戶端的軟件組件只要求與帶寬匹配，方便傳送壓縮視頻，而不是為了最小化時(shí)延。而如Linux之類的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)則很難保證時(shí)延。典型的解決方案就是為服務(wù)器和客戶端創(chuàng)建低時(shí)延自定義協(xié)議。但這種方法的不足之處就是不符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另一種方法是采用一種類似RTSP的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)軟件的低層進(jìn)行修改來(lái)最小化時(shí)延，同時(shí)保證符合各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

　　然而，也可采取措施盡量減少內(nèi)核與用戶空間之間的拷貝操作，從而減少相關(guān)時(shí)延。

　　圖3  完整編/解碼系統(tǒng)方框圖

　　而就整個(gè)軟件路徑而言，要減少時(shí)延，就需要將RTSP服務(wù)器和壓縮信息轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)分離，從而用Linux驅(qū)動(dòng)程序替代RTSP服務(wù)器執(zhí)行發(fā)送任務(wù)。

　　為了降低時(shí)延，我們對(duì)A2e Technologies低時(shí)延RTSP服務(wù)器進(jìn)行了兩處修改。首先，移除轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的RTSP服務(wù)器。RTSP服務(wù)器仍采用實(shí)時(shí)控制協(xié)議(RTCP)維護(hù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并隨網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)地址(即IP或MAC目的地地址)的變動(dòng)定期(或異步)更新內(nèi)核驅(qū)動(dòng)。第二，內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序附加必要數(shù)據(jù)頭(基于RTSP服務(wù)器提供的信息)，通過(guò)直接輸入網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序(例如udp_send)立即轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，從而無(wú)需在內(nèi)核和用戶空間之間進(jìn)行內(nèi)存拷貝。

　　圖3 顯示了基于H.264 IP的完整編/解碼系統(tǒng)，總時(shí)延不足50毫秒。該系統(tǒng)是根據(jù)Zynq SoC、A2e Technologies低時(shí)延H.264編/解碼器與A2e Technologies 低時(shí)延RTSP服務(wù)器/客戶端而建立的。需要注意的是，從硬件角度來(lái)看，編碼與解碼系統(tǒng)之間唯一真正的區(qū)別在于，編碼側(cè)必須連接到攝像頭/傳感器，而解碼側(cè)則必須能夠?yàn)槠桨屣@示提供驅(qū)動(dòng)。您可以輕松地設(shè)計(jì)一個(gè)具備編碼與解碼所需的所有必備硬件功能的電路板。

　　為盡量減少實(shí)時(shí)控制應(yīng)用中視頻壓縮/解壓縮的時(shí)延，設(shè)計(jì)人員需要特殊編碼器和優(yōu)化的軟件。利用賽靈思的Zynq SoC和 A2e Technologies的H.264低時(shí)延編碼器與以及優(yōu)化的RTSP 服務(wù)器/客戶端，可在小型PCB板上創(chuàng)建一個(gè)時(shí)延極低、高度可配置的系統(tǒng)。