一種基于SOC的機(jī)載視頻壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：臧兵（1973— ），男，高級(jí)工程師，學(xué)士；研究方向：嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用，軟硬件集成驗(yàn)證。

摘要：針對(duì)目前機(jī)載設(shè)備對(duì)于大容量全高清視頻壓縮系統(tǒng)提出的高帶寬、低延遲、高穩(wěn)定、高集成化、高性能等需求，文章提出了一種低延時(shí)多路高清視頻壓縮系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)處理視頻數(shù)據(jù)，對(duì)多路高清視頻同時(shí)壓縮處理并存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)，以SOC視頻壓縮單元為核心設(shè)計(jì)低延時(shí)全高清視頻壓縮系統(tǒng)，在壓縮過程中兼顧視頻傳輸速度和圖像質(zhì)量的均衡要求，可以自適應(yīng)進(jìn)行多路不同分辨率的視頻壓縮。該壓縮系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：低延時(shí)；全高清；視頻壓縮；SOC

中圖分類號(hào)：TP333" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)設(shè)備的綜合化程度不斷提高，視頻數(shù)據(jù)由于能直觀反映環(huán)境的狀況，在日常工作中發(fā)揮著重要的作用。高清視頻信息量大等特點(diǎn)對(duì)視頻壓縮設(shè)備提出了高帶寬、低延遲、高穩(wěn)定、集成化高、性能高、抗電磁干擾等要求。

為了實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的壓縮及大容量存儲(chǔ)，并且適應(yīng)多路高清晰度視頻傳輸問題，本文提供了一種低延時(shí)多路高清視頻壓縮記錄系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)處理視頻數(shù)據(jù)，對(duì)多路高清視頻同時(shí)進(jìn)行壓縮處理并存儲(chǔ)大容量視頻數(shù)據(jù)。

1" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種低延時(shí)多路高清視頻壓縮記錄系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由視頻轉(zhuǎn)換單元、視頻預(yù)處理單元、SOC視頻壓縮單元、數(shù)據(jù)記錄單元以及電源轉(zhuǎn)換模塊組成。外部的視頻源通過ARINC818將視頻輸入視頻轉(zhuǎn)換單元，視頻轉(zhuǎn)換單元將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后利用視頻預(yù)處理單元的FPGA邏輯完成數(shù)據(jù)的檢測(cè)、校驗(yàn)、提取、緩存和格式轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)傳輸給SOC視頻壓縮單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的編解碼和壓縮處理，最終將壓縮后的數(shù)據(jù)存入大容量固態(tài)硬盤。電源轉(zhuǎn)換模塊主要完成各個(gè)單元的供電和過壓過流保護(hù)［1］。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

2" 硬件方案設(shè)計(jì)

本文介紹的視頻壓縮記錄系統(tǒng)由視頻轉(zhuǎn)換單元接收ARINC818視頻信號(hào)，視頻預(yù)處理單元實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸，SOC視頻壓縮單元實(shí)現(xiàn)碼流數(shù)據(jù)壓縮、緩沖，最終由數(shù)據(jù)記錄單元存儲(chǔ)視頻壓縮后的數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)運(yùn)行流程如圖2所示。

如圖2所示，視頻源從外部輸入，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，配置的分辨率不一致，視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，檢測(cè)幀格式和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行緩存，將緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻壓縮，將壓縮后的數(shù)據(jù)通過PCIE寫入固態(tài)硬盤。

2.1" 視頻轉(zhuǎn)換單元

視頻轉(zhuǎn)換單元核心為光電轉(zhuǎn)換模塊，與ARINC818外部視頻源相連接，主要用于接收ARINC818光視頻信號(hào)，并將光視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電視頻信號(hào)，其最高帶寬可達(dá)4.25 GB/s，傳輸最大距離達(dá)到50 m。

2.2" 視頻預(yù)處理單元

視頻預(yù)處理單元為FPGA視頻預(yù)處理單元，接收來自視頻轉(zhuǎn)換單元的電視頻信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行視頻格式轉(zhuǎn)換、視頻分解、視頻數(shù)據(jù)緩存以及增強(qiáng)等預(yù)處理。FPGA視頻預(yù)處理單元在DVI時(shí)序產(chǎn)生模塊控制下，" 將ARINC818電視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為YUV422格式的BT1120視頻數(shù)據(jù)。

由視頻轉(zhuǎn)換單元將多路ARINC818光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后傳輸給視頻預(yù)處理單元，由視頻預(yù)處理單元中的FPGA對(duì)多路視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼、數(shù)據(jù)FIFO緩存控制、VESA數(shù)據(jù)時(shí)序產(chǎn)生和視頻數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等操作，將輸出的BT1120數(shù)據(jù)發(fā)送給SOC視頻壓縮單元。

2.3" SOC視頻壓縮單元

SOC視頻壓縮單元組成如圖3所示，為整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要包括ARM處理器、H.265硬核編碼電路、QSPI FLASH、千兆以太網(wǎng)電路和時(shí)鐘電路等，負(fù)責(zé)將接收到的BT1120視頻數(shù)據(jù)通過硬件算子壓縮成H.265視頻碼流，在壓縮過程中，兼顧視頻傳輸速度和圖像質(zhì)量的均衡要求。SOC視頻壓縮單元連接多個(gè)DDR3 SDRAM，用于視頻壓縮中間處理過程的數(shù)據(jù)緩存和輸入輸出數(shù)據(jù)的緩存， QSPI FLASH用于存儲(chǔ)BOOT引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和配置參數(shù)。

SOC視頻壓縮單元利用ARM處理器將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像降噪、特征提取處理，利用硬核編碼電路進(jìn)行圖像壓縮、圖像字符疊加等操作，靜態(tài)圖像壓縮能力260 M像素/s。該壓縮模塊具有時(shí)間戳疊加功能，將視頻圖像與輸入時(shí)間相對(duì)應(yīng)，在視頻回放階段，通過時(shí)間戳信息可快速定位異常情況、故障現(xiàn)象的發(fā)生時(shí)間。

由于視頻數(shù)據(jù)分辨率和輸入路數(shù)的增加，視頻數(shù)據(jù)量直線提升，為了提高處理后數(shù)據(jù)的傳送效率和記錄能力，通過PCIE 3.0與數(shù)據(jù)記錄單元（SSD）連接，傳輸速率可達(dá)2 GB/s，存儲(chǔ)容量可達(dá)2 TB，在2路4K分辨率視頻輸入的情況下，存儲(chǔ)壓縮后的視頻時(shí)長(zhǎng)可達(dá)500 h［2］。

2.4" 數(shù)據(jù)記錄單元

數(shù)據(jù)記錄單元由存儲(chǔ)控制器模塊、DDR內(nèi)存模塊、掉電保護(hù)模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)鐘模塊、硬毀鑰模塊組成。存儲(chǔ)容量最高可達(dá)2 TB，通過操作命令DAh切換到pSLC模式，SLC模式相比TLC模式，讀寫壽命可以提升10倍，可靠性更高。固件主頻越高，通道數(shù)越多，讀寫性能越強(qiáng)，該存控一體可以設(shè)置4個(gè)通道，每個(gè)通道都獨(dú)立于其他通道執(zhí)行操作，互不干擾，如命令執(zhí)行、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋虼丝梢圆⑿袌?zhí)行多個(gè)存儲(chǔ)任務(wù)，性能相比于單通道，最高可以達(dá)到單通道性能的4倍，倍數(shù)為通道數(shù)。

該數(shù)據(jù)記錄單元具有毀鑰功能，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵視頻數(shù)據(jù)銷毀處理，屬于硬毀鑰模塊，為系統(tǒng)提供硬毀鑰功能，通過緩充快放的毀密電路，可以多次反復(fù)地進(jìn)行充放電操作，在不超過1 A的電流下，1 s內(nèi)物理燒毀系統(tǒng)中的存儲(chǔ)模塊，造成永久性損害，保證視頻數(shù)據(jù)不被他人竊取。

2.5" 電源轉(zhuǎn)換模塊

電源轉(zhuǎn)換模塊可以為上述各功能單元提供電源，將外部供電轉(zhuǎn)換成各個(gè)單元的工作電壓，并按要求控制上電順序，具備過壓過流保護(hù)、快速放電等特征。

3" 關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)分析

本文所設(shè)計(jì)的視頻壓縮記錄系統(tǒng)主要用到的關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)如下。

3.1" ARINC818光視頻處理系統(tǒng)

傳統(tǒng)方案常用DVI、HDMI等電信號(hào)作為視頻傳輸，傳輸距離不足、抗電磁干擾能力較差，傳輸能力無法滿足復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。ARINC818光視頻信號(hào)因其抗EMC干擾能力強(qiáng)、支持遠(yuǎn)距離傳輸和高傳輸速率，更適合環(huán)境視頻傳輸。

3.2" 高清視頻壓縮技術(shù)

高清視頻壓縮存儲(chǔ)裝置不僅可以處理HDMI、VGA、DVI、Cameralink、SDI等模擬視頻信號(hào)，而且可以處理ARINC818等光纖視頻信號(hào)，兼容性好，抗EMC干擾能力強(qiáng)，可靠性高。

3.3" 快速定位故障信息

采用SOC視頻壓縮單元進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理并添加時(shí)間信息，通過回放已記錄的視頻信息，可以快速定位異常情況及故障的發(fā)生時(shí)間。

3.4" 大容量存儲(chǔ)技術(shù)

存儲(chǔ)系統(tǒng)采用一塊單獨(dú)的子卡存儲(chǔ)壓縮后的視頻信息，通過一個(gè)主控和多片NAND FLASH構(gòu)架完成存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)容量可達(dá)2 TB，讀寫速率高達(dá)2 GB/s，主控通過FTL完成NAND FLASH的管理、讀干擾處理、數(shù)據(jù)保持、磨損平衡及垃圾回收等，具備大容量、小體積、高性能、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用掉電保護(hù)設(shè)計(jì)和硬毀鑰設(shè)計(jì)，提升了產(chǎn)品的可靠性和安全性［3］。

3.5" 記錄系統(tǒng)

本高清視頻壓縮記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以處理多路4K、2K及以下分辨率視頻壓縮，存儲(chǔ)容量大，實(shí)時(shí)性好，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。

4" 結(jié)語

本文瞄準(zhǔn)機(jī)載電子設(shè)備發(fā)展的市場(chǎng)前景，介紹了一種低延時(shí)、全高清的視頻壓縮記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)由視頻轉(zhuǎn)換單元接收ARINC818視頻信號(hào)，視頻預(yù)處理單元實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸，SOC視頻壓縮單元實(shí)現(xiàn)碼流數(shù)據(jù)壓縮、緩沖，由數(shù)據(jù)記錄單元存儲(chǔ)視頻壓縮后的數(shù)據(jù)。該視頻壓縮記錄系統(tǒng)可以自適應(yīng)進(jìn)行多路不同分辨率的視頻壓縮，諸如2路4K分辨率或6路2K分辨率的同時(shí)壓縮能力，具有較好的靈活性和良好的應(yīng)用前景，能滿足當(dāng)前機(jī)載設(shè)備視頻壓縮記錄的需求。

參考文獻(xiàn)

［1］許逸飛，樊超.一種機(jī)載嵌入式全高清視頻壓縮方法［J］.電子技術(shù)，2016（1）：19.

［2］韓嫚莉.基于AMP架構(gòu)的高性能數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)［J］.數(shù)字通信世界，2019（2）：98-99.

［3］賈源泉.基于NAND FLASH的多路并行存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

（編輯" 王雪芬）

Design of airborne video compression system based on SOC

Zang" Bing， Wang" Mengfan， Wang" Xiaowei

（Aeronautics Computing Technique Research Institute，AVIC， Xi’an 710065， China）

Abstract：" In view of the requirements of high bandwidth， low delay， high stability，high integration and high performance for large-capacity full-HD video compression system proposed by airborne equipment， a low-delay multi-channel HD video compression system is proposed in this paper. The system is designed to process viseo data in real time， compress and store video data for multi-channel high-definition video simultaneously. The SOC video compression unit is used as the core to design a low delay full HD video compression system， which takes into account the balance requirements of video transmission speed and image quality during the compression process， and can self-adapt to multi-channel video compression with different resolutions. The compression system has a good application prospect.

Key words： low latency; full HD; video compression; SOC