網(wǎng)絡高清視頻編解碼系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

閆 軍，代豐羽，王紹雷

(中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

0 引言

近年來隨著視頻技術、網(wǎng)絡技術以及終端處理技術的不斷發(fā)展，人們對多媒體業(yè)務的需求呈現(xiàn)日益增長的趨勢，據(jù)調(diào)查顯示，目前網(wǎng)絡視頻數(shù)據(jù)量占據(jù)了整個互聯(lián)網(wǎng)流量的90%，其中高清視頻正在逐漸成為未來應用和發(fā)展的重點[1-3]。然而，在不斷提升視頻質(zhì)量的同時也導致圖像數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)幾何式的增長，這也使得視頻編解碼技術成為目前多媒體研究領域的熱門技術之一。

目前，傳統(tǒng)的視頻編解碼器由于性能的限制并不具備高清視頻數(shù)據(jù)的處理能力[4,5]，HI3531A是海思半導體針對多路D1和高清DVR、NVR產(chǎn)品應用開發(fā)推出的一款專業(yè)高端SOC芯片，具有高集成、高性能、多協(xié)議編解碼和專用網(wǎng)絡加速等優(yōu)點，可輕松應對越來越高的高清應用和網(wǎng)絡需求[6,7]。本文基于HI3531A芯片，結合H264視頻壓縮技術、嵌入式技術和網(wǎng)絡技術，提出了網(wǎng)絡高清視頻編解碼系統(tǒng)的設計方案。

1 硬件設計

高清視頻編解碼器同時具備編碼、解碼、傳輸、存儲等功能，圖1為該高清視頻編解碼器的硬件組成框圖。

圖1 高清視頻編解碼器硬件組成框圖

各個模塊的功能如表1所示。

表1 硬件模塊功能表

2 軟件設計

2.1 編碼模塊設計

編碼模塊的設計需要調(diào)用海思媒體處理函數(shù)庫和Linux系統(tǒng)函數(shù)，完成編碼器視頻輸入、編碼、網(wǎng)絡傳輸、本地回顯等功能，軟件設計的流程如圖2所示。

圖2 編碼器軟件設計流程圖

在該處理流程中視頻信號由輸入設備(VI)接收進入輸入通道，輸入通道與視頻前處理單元(VPSS)的通道組連接，在VPSS通道組中對視頻信號進行去噪、縮放、銳化等統(tǒng)一預處理，形成多種不同分辨率的圖像輸出。輸出的圖像信號分別輸送到兩個方向：

一是經(jīng)過輸出(VO)通道傳輸給輸出設備進行本地回顯；二是經(jīng)過編碼(VENC)通道進入編碼器進行視頻編碼，如圖3所示。

編碼模塊的軟件設計中涉及到三個關鍵線程，編碼線程、數(shù)據(jù)發(fā)送線程和存儲線程。其中，編碼線程由碼率控制器和編碼器協(xié)同完成圖像信號到碼流的轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)發(fā)送線程對碼流數(shù)據(jù)進行IP包封裝(TCP/UDP數(shù)據(jù)包)和傳輸，采用嵌入式系統(tǒng)自帶的socket套接字完成；存儲線程完成碼流數(shù)據(jù)的本地存儲，可以按照自定義存儲協(xié)議執(zhí)行。三個線程之間相互協(xié)作，利用各自的緩存片區(qū)來完成整個編碼、傳輸、存儲過程，具體的流程如圖4所示。

圖3 視頻信號處理過程

圖4 編碼器三線程協(xié)作圖

2.2 解碼模塊設計

解碼模塊同樣由三個線程組成：一個主線程和兩個子線程。主線程完成解碼程序環(huán)境參數(shù)的配置并對整個解碼過程進行控制；子線程1負責從網(wǎng)絡中接收碼流數(shù)據(jù)包；子線程2負責對碼流數(shù)據(jù)包進行解碼并將解碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送給輸出設備。

在解碼器的設計過程中采用“流式發(fā)送”的方式，每次將任意長度的碼流發(fā)送給解碼器，由解碼器內(nèi)部完成一幀碼流的識別過程，這樣可以降低因為不夠一幀而出現(xiàn)解碼錯誤的概率，從而加快解碼的速度，提高解碼的正確性。此外，本設計還將解碼過程和網(wǎng)絡接收功能獨立開來，采用雙線程處理的方式來避免碼流數(shù)據(jù)的激增造成數(shù)據(jù)大量溢出，從而導致解碼后圖像質(zhì)量下降的情況。

網(wǎng)絡接收線程與視頻解碼線程之間采用環(huán)形緩存區(qū)的方式進行數(shù)據(jù)的交換。在環(huán)形緩存區(qū)中又分成若干個鏈表隊列，每個隊列可以存放數(shù)幀圖像數(shù)據(jù)，該環(huán)形緩存區(qū)對數(shù)據(jù)交換的執(zhí)行算法如下所述。

定義1.環(huán)形緩存區(qū)由鏈表數(shù)量、鏈表項、出鏈、入鏈組成，可表示為一個四元組：Z=(n,list,ar,aw)，其中l(wèi)ist=(id,len,mem)是鏈表項list的編號id，緩存數(shù)據(jù)長度len(len≤maximum)和緩存數(shù)據(jù)值mem，ar=(id,ex)是出鏈ar的編號id和動作ex，aw=(id，len)是入鏈aw的編號id和長度len。

定義2.如果環(huán)形緩存區(qū)Z的出鏈編號ar(id)等于入鏈編號aw(id)，則出鏈動作ar(ex)停止，否則繼續(xù)，即

Z:ar(id)=aw(id)→ar(ex)=false

ar(id)≠aw(id)→ar(ex)=true

定義3.如果出入鏈ar/aw的當前編號id等于list(n)，則出入鏈的下一編號為list(1)。

圖5 環(huán)形緩存數(shù)據(jù)交換圖

假設當前環(huán)形緩存區(qū)在鏈表j，當前數(shù)據(jù)項為data(len,buf)，其中l(wèi)en為數(shù)據(jù)長度，buf為數(shù)據(jù)緩存，則入鏈的執(zhí)行過程如下：

init:aw(id)=j

aw(len)=0

whiletrue

ifaw(len)+data(len)≤maximum

copydata(buf)tolistj(mem)

aw(len)=aw(len)+data(len)

else

listj(len)=aw(len)

break

endif

假設當前環(huán)形緩存區(qū)在鏈表i，每次拷貝到網(wǎng)絡包packet中的長度為length，則出鏈的執(zhí)行過程如下：

init:ar(id)=i

ifaw(ex)=true

whiletrue

iflisti(len)>0

copylistj(mem)topacket

listj(len) =listj(len)-length

else

break

endif

3 測試

為了測試編解碼器的有效性、可靠性和實時性，首先搭建了視頻編解碼器的工作環(huán)境，通過設置配置文件中的各種運行參數(shù)，來測試在不同應用環(huán)境中編解碼器的性能。本設計選取分辨率為1920*1080、1280*720的圖像，以VGA和SDI作為輸入，解碼輸出選取VGA和HDMI接口。

其次，為了測試存儲日志的質(zhì)量，系統(tǒng)還移植了FTP和WEB服務器，利用VLC進行遠程播放。通過設置配置文件的的輸出地址和網(wǎng)絡協(xié)議，可以將編碼后的碼流傳輸給上位機，在PC端利用VLC播放軟件直接進行解碼輸出。

為增加測試用例的難度，VGA輸入接口的測試視頻選取了運動性很強且背景復雜的MTV，測試結果如表2所示。

表2 測試結果

測試結果表明，該高清視頻編解碼器針對不同的場景，能夠保證畫面清晰流暢，實時性能良好，延遲在預定的范圍內(nèi)。

4 結語

本文提出了一種網(wǎng)絡高清視頻編解碼解決方案，能夠?qū)?080p/720p等高清分辨率的視頻進行采集、編解碼、存儲、傳輸和播放，其具有實時性好，清晰度高，延遲低等優(yōu)點，目前該設計方案已被應用到某設備的視頻編解碼存儲矩陣中，運行效果良好。下一步希望能夠在此基礎上對視頻流進行實時分析和遠程傳輸，實現(xiàn)智能監(jiān)控和遠程播放的功能。