基于寬帶衛(wèi)星通信的低碼率音視頻編碼系統(tǒng)

曹文繼 喻娜 任小平 王龍廣 賈羽 白奉強

摘要：世界上數(shù)量眾多的先進國家均把衛(wèi)星通信視作救災搶險、維護社會穩(wěn)定發(fā)展的主要途徑重要保障手段以及應急通信途徑。因此基于衛(wèi)星通信的高抗干擾性要求下造成的低通信帶寬的特點，本文針對性地設計一種低碼率的視頻編碼系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用H265圖像壓縮編解碼標準，使用華為海思公司的HI3516A和ADI公司的ADV7441A搭建硬件平臺，在linux系統(tǒng)架構進行軟件功能實現(xiàn)。最終實現(xiàn)高清視頻信號在1Mbps低傳輸帶寬的傳輸。

關鍵詞：衛(wèi)星通信;H265;HI3516A;linux

中圖分類號：TN927.2 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-9129（2018）15-0061-02

Abstract：Many advanced countries in the world regard satellite communication as an important means of security and emergency communication for disaster relief and social stability. Therefore， based on the characteristics of low communication bandwidth caused by high anti-jamming requirements of satellite communication， a low bit rate video coding system is designed in this paper. The system adopts H265 image compression codec standard， uses HI3516A of Huawei Heise Company and ADV7441A of ADI Company to build hardware platform， and implements software function in Linux system architecture. Finally， high-definition video signals are transmitted at low transmission bandwidth of 1Mbps.

Keywords：satellite communication;H265;HI3516A;linux

引言：對于衛(wèi)星應急通信來講，其是在發(fā)生人為或是自然突發(fā)性緊急狀況、通信設施被嚴重毀壞時，可以有效地保障救援保障工作而需要的通信所和必要通信所需的通信保障方法方式，其具有高時效性以及暫時性強等特征。所以，找到一種具備遠距離傳輸、所受地理環(huán)境限制較小、便于攜帶與架設的衛(wèi)星通信模式，同時，設計一個體積小，重量輕，攜帶方便，操作簡單，成本低廉，在突發(fā)狀況下可及時響應的便攜式寬帶衛(wèi)星通信終端，成為迫切任務。本系統(tǒng)實現(xiàn)便攜式寬帶衛(wèi)星通信終端中視頻通信的重要功能，并且基于衛(wèi)星通信的高抗干擾性要求下造成的低通信帶寬的條件下，需要設計一種低碼率的視頻編解碼系統(tǒng)。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中衛(wèi)星信號傳輸通道受衛(wèi)星天線增益、地球同步軌道通信衛(wèi)星自身參數(shù)、經(jīng)緯度、天氣狀況、衛(wèi)星帶寬資源有限等特點的限制，一般上行帶寬超不過1.5Mbps[1]，去掉信號包頭開銷，實際凈荷帶寬一般不超過1Mbps。而衛(wèi)星應急通信中，音視頻信號是主要通信業(yè)務。在這種傳輸條件下，需要設計一種低碼率音視頻編碼器才能滿足系統(tǒng)要求。傳統(tǒng)視頻壓縮編碼采用H264標準，但此標準無法滿足高清圖像的低碼率壓縮傳輸。H265編碼標準作為最新視頻壓縮標準，具有比H264標準更高大約40%的高效圖像壓縮比[2]，完全可以滿足本系統(tǒng)要求。

1 系統(tǒng)的總結構設計

音視頻編碼系統(tǒng)主要由視頻信號采集、音頻信號采集、音視頻壓縮、信號傳輸?shù)榷鄠€功能部分組成。其中視頻采集部分需要使用ADV7441A視頻AD進行視頻信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過BT656或BT1120數(shù)字接口傳送給HI3516A進行視頻信號壓縮。而HI3516A音視頻SOC因為內(nèi)置音頻CODEC，可直接采集模擬音頻信號并壓縮。所有壓縮完成后音視頻信號通過以太網(wǎng)進入無線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡。圖1為系統(tǒng)的總體設計圖。

2 系統(tǒng)硬件方案設計

2.1編解碼主控芯片。Hi3516A作為新一代行業(yè)專用HD IP攝像機SoC，集成新一代ISP，采用業(yè)界最新的H.265視頻壓縮編碼器同時采用先進低功耗工藝和低功耗構架設計，這一切使Hi3516A在低碼率、高圖像質(zhì)量和低功耗方面持續(xù)引領行業(yè)水平。Hi3516A最高可支持五百萬像素實時視頻編碼，通過海思網(wǎng)絡傳輸技術，能得到小于的網(wǎng)傳延遲。

2.2視頻采集AD芯片。ADV7441A，其為一類多格式、高質(zhì)量的圖形數(shù)字化以及視頻解碼器及儀儀器，且集成了2：1多路復用HDMI接收器。其所涵蓋的處理部分為以下兩個：其一，標清處理器，其能對全部種類PAL、NTSC、SECAM信號進行處理。其二，分量處理器。其能對RGB以及YPrPb分量格式進行處理，涵蓋RGB圖形。CP也可以對來自HDMI接收器的視頻信號進行處理。對于模擬工作模式來講，ADV7441A能夠讓HDMI源和選定HDMI端口間的HDCP鏈路處于活動狀態(tài)中，進而能夠迅速地切換于HDMI模式與模擬模式之間。

ADV7441A，其作為解碼器能夠把S視頻信號以及PAL、NTSC、SECAM復合信號轉(zhuǎn)成為數(shù)字ITU-R BT.656格式。其也能夠把RGB或YPrPb分量視頻信號解碼成數(shù)字YPrPb或是RGB像素輸出流。此器件支持525i、625i、525p、625p、720p、1080i、1080p與1250i分量視頻標準。除此之外，也可以對CVBS以及標清RGB信號進行同時處理，進而支持疊加功能以及SCART。此器件能夠數(shù)字化處理VGA到UXGA速率RGB圖形信號，把它轉(zhuǎn)換成為數(shù)字RGB或YPrPb像素輸出流。ADV7441A內(nèi)置雙路輸入HDMI兼容型接收器，最高能支持UXGA的顯示分辨率以及1080p的高清電視格式。在HDCP功能被增加之后，也可以對加密視頻進行接收。HDMI接收器存在著自適應均衡特性，保證此接口可以工作于長達三十米的電纜上。

3 系統(tǒng)軟件方案設計

3.1系統(tǒng)軟件整體設計。系統(tǒng)主要由H.265編碼程序設計、視頻圖像采集和Live555程序分析三個大模塊組成。

（1）H.265編碼程序設計。程序通過調(diào)用HiMPP平臺下的MPI來實現(xiàn)。首先，需要ADV7441采集實時圖像，本系統(tǒng)利用用戶選擇的方式采集信號或者高清信號。第二，對MPP平臺進行初始化，主要對輸入和預處理系統(tǒng)變量進行初始化;第三，分配緩存池，本系統(tǒng)中，設置緩存池最大個數(shù)MaxPoolCnt為128，每池塊數(shù)為20塊，每塊大小為SAMPLE_COMM_SYS_CalcPicVbBlkSize（）所計算的值，即每幀圖像大小。第四設置Vpss;具體對stVpssGrpAttr結構體和stVpssChnMode結構體進行設置;使圖像的寬、高、像素格式等等滿足所需。然后使用SAMPLE_COMM_VENC_BindVpss（）函數(shù)將vpss與vi通道進行綁定。最后SAMPLE_COMM_VENC_Start（）開始編碼，并用SAMPLE_COMM_VENC_BindVpss（）將編碼通道與Vpss通道進行綁定，編碼開始。

（2）視頻圖像采集。VI模塊由視頻輸入設備和物理通道組成，Hi3516A包含一個視頻輸入設備（DEV0），和一個支持16個擴展通道的物理視頻通道（CHN0）。DEV支持BT.656、BT.1120等接口的視頻格式。本系統(tǒng)使用ADV7441A進行實時圖像的采集。

（3）Live555程序分析。最新的live555（2018-09-06版）支持H.265格式視頻的傳輸，但live555默認只支持發(fā)送音視頻文件，對實時流文件的傳輸需要對源碼進行改動。live555利用TaskScheduler類庫完成socket的調(diào)度，來構成運行的框架。RTSP協(xié)議服務機制如下圖2所示。

RTSP負責建立和控制會話，RTP負責多媒體的傳輸，rtcp配合RTP做控制和流量統(tǒng)計。以下是其具體過程：其一，與RTSP服務器監(jiān)聽客戶端的連接請求進行構建，響應客戶端所發(fā)起的請求，當連接被構建后，對RTSPClientSession文件進行創(chuàng)建，RTSP協(xié)議即實現(xiàn)于RTSPClientSession文件中。其二，實現(xiàn)RTSP協(xié)議的過程，客戶端發(fā)送RTSP描述命令給服務器端，服務器將對應的媒體文件查找到，且形成會話描述協(xié)議（SDP）信息實施回應;然后，客戶端發(fā)送RTSP建立命令服務器端建立RTP/RTRTP/RT，且對特定的Source和Sink進行構建，為得到數(shù)據(jù)、封包數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)而做好準備工作;當上述步驟被完成后，播放命令通過客戶端所發(fā)送，服務器端與其請求相響應，循環(huán)地調(diào)用Source對象的成員方法得到數(shù)據(jù)且借助Sink對象的成員方法實施封包以及發(fā)送，促使流媒體服務器功能的實現(xiàn);當播放時，客戶端能通過終止命令發(fā)送而結束流媒體會話[3]。

3.2應用層軟件設計。如圖3所示Hi3516A應用層軟件主要由進程A和進程B構成。其中進程A完成外部模塊（如ADV7441A的初始化）、系統(tǒng)變量初始化、采集VI視頻、啟動VPSS視頻處理、啟動VENC視頻編碼以及可選視頻數(shù)據(jù)文件本地存儲功能。進程B主要完成壓縮音視頻數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)的以RTSP協(xié)議的方式打包傳輸。程序設計最后應對共享內(nèi)存的分配進行釋放，防止系統(tǒng)崩潰[4]。首先，進程A基于HiMPP設計，利用Hi3516a_viu將ADV7441a解碼得到的BT.1120/BT.656接口的視頻采集輸入，并通過Vpss（視頻預處理模塊）對輸入進行剪裁縮放等預處理，再通過Hi3516a_venc模塊對與處理后的圖像進行H.265編碼;同時通過內(nèi)存管理器開辟共享內(nèi)存，將編碼處理后的H.256流文件存入其中，并合理使用系統(tǒng)內(nèi)存。進程B利用Live555開源代碼移植完成。第一，獲得共享內(nèi)存中的H.265流，并通過RTP協(xié)議進行傳送;第二，RTSP協(xié)議對視頻流的播放、暫停等進行控制;第三，通過RTCP對傳輸質(zhì)量和網(wǎng)絡狀態(tài)進行監(jiān)測。

4 結論

經(jīng)過實際測試，1080P高清信號傳輸在500Kbps的速率帶寬下，最后經(jīng)過軟件解碼回放，圖像畫面產(chǎn)生大量馬賽克和丟幀情況。當速率到達1Mbps的時候，圖像畫面得到很大改觀，視頻畫面也比較流暢，沒有丟幀的情況。音視頻編碼系統(tǒng)軟件可以正常運行，壓縮音視頻信號經(jīng)過電腦軟件解碼后也可以正常顯示。在碼率為1Mbps的情況下，表面圖像質(zhì)量較好，沒有出現(xiàn)馬賽克等誤碼丟包現(xiàn)象。系統(tǒng)中音頻采用G.711標準PCM編碼格式，速率為64Kbps。因為音頻信號速率很低，不會對系統(tǒng)信號整體傳輸造成丟失或誤碼的情況，所以本次測試沒有對音頻進行專門測試。根據(jù)測試結果，此音視頻編碼系統(tǒng)完全可以滿足衛(wèi)星通信終端的功能和性能要求。

參考文獻：

[1]賁海霞. H_265在衛(wèi)星動中通圖像傳輸中的應用.數(shù)字通信世界， 2014，04;11-13

[2]董文輝. H_265標準概覽及應用研究.廣播與電視技術，2015，40，12，60-64

[3]胡博，趙旦峰，王中刊. 基于H.265編解碼高清視頻傳輸系統(tǒng). 應用科技，1009-671X（2017）01-027-06

[4]魯云，韓賓，程錦發(fā)，等.基于Hi3516A的H265碼流實時傳輸系統(tǒng)沒汁[J].微型機與立用，2015，34：（20）：42-44.

作者簡介：曹文繼（1974-），男，高級工程師，碩士，主要從事數(shù)據(jù)通信和圖像處理傳輸方面的研究.