基于H.264多路高清视频编码系统设计 - 安防知识网

为满足越来越多的高清视频采集、编码和传输的应用需求，一种基于H.264并具有可扩展能力的多路高清视频编码系统解决方案应运而生。在实际应用中需要对多路高清视频进行实时编码和传输时，该方案能显著降低成本，提高系统集成度。

【安防知识网】为满足越来越多的高清视频采集、编码和传输的应用需求，一种基于H.264并具有可扩展能力的多路高清视频编码系统解决方案应运而生。在实际应用中需要对多路高清视频进行实时编码和传输时，该方案能显著降低成本，提高系统集成度。

　　1 前言

　　高清视频和传统标清视频相比在视频质量上有了质的飞跃，传统CIF格式视频其分辨率只有352×288、D1格式分辨率也仅720×576，而高清视频分辨率可达到1280×720甚至1920×1080，能极大地提高主观视频体验。以往由于芯片编码能力、网络带宽和存储技术等众多因素制约，高清视频一直没能得到广泛应用，但随着视频编码、IC设计、宽带网络及大容量存储等技术的飞速发展，高清视频应用的主要障碍都已被扫清。

　　视频监控产品经历了模拟时代、数字时代、网络时代的发展之后，现已将逐步进入高清时代，高清视频监控已被越来越多的行业所关注和应用，如平安城市、公安系统、交通系统、金融银行系统、机场、海关、边防安检，水利电力、电力系统监控、排污、环保监测、森林防火减灾、远程教育和远程医疗等领域。这些行业用户的普遍特点都需要高清晰度视频图像，要求对不止一路的高清视频进行高效实时编码、传输和存储，另外还需要系统具有良好的可扩展能力等。H.264/AVC视频编码标准由于具有优异的编码效率，能极大地降低高清视频传输的网络带宽和存储容量需求，从而成为了高清视频编码方案的必然选择。

　　针对这些行业用户的需求，一种基于H.264的多路高清视频编码系统应运而生。该系统由工控PC和多块插卡式高清视频压缩卡所构成，采用高性能ASIC视频编码芯片，单卡支持1路1080i格式或2路720P格式高清视频实时编码，支持HDMI、DVI、YPbPr、VGA等多种高清输入接口，还可根据应用需求灵活配置高清视频压缩卡数量。

　　本文将对多路高清编码系统的组成、基于高清视频编码卡和系统的关键特性等几个方面进行介绍。

　　2 基于H.264多路高清视频编码系统设计

　　图 1 基于H.264的多路高清视频编码系统框图

　　基于H.264的多路高清视频编码系统方案如图一所示，系统主要由主控 CPU和多个H.264编码器构成。模拟高清摄像机、显卡、高清播放器等输出的高清视频信号可通过HDMI、DVI、YPbPr、VGA或SDI等接口输入到系统中，通过H.264高清编码卡完成高清视频的高效实时编码。系统内部通过PCI总线进行数据通信，PCI总线支持33或66MHz工作频率，当工作在33MHz时，其实际的数据传输带宽可达到60~70MB/S，能满足压缩比特流和预览数据的传输需求。

　　系统主控 CPU接收到高清编码卡传送来的压缩比特流数据后，即可将其存储至硬盘供日后查询，也可通过网络实时发送至中心服务器或客户端进行远程回放或存储。本地还支持在显示器上进行实时预览或回放等操作。

　　主控CPU可根据实际应用需求进行灵活选择，支持x86、PPC、MIPS等架构，操作系统可选用Linux、Windows 2000/XP或Windows 7等。 [nextpage]

　　3 基于视频编码芯片的多路高清视频编码卡

　　基于多路高清视频编码卡的结构如图二所示，由前端A/D芯片、视频编码芯片、DDR和PCI桥接芯片等组成。根据外部输入信号的不同，可采用AD7401、EP9353或Intersil98003等不同的A/D芯片，从而可以非常灵活和方便地与外部高清输入信号进行接驳。该视频编码器(芯片)还能连接两组独立的DDR控制器，使得可以根据实际系统对编码器性能的需求配置一组或者两组外部DDR或SDRAM。比如编码一路720p视频时，就只需配置一组DDR。该视频编码器(芯片)还具有与主控CPU通信的PCI接口，当板卡中只有一颗视频编码芯片时，则可省略PCI桥接芯片。这些灵活的构建策略可显著降低系统BOM成本。

　　采用专用ASIC编码芯片的好处是编码性能高，开发简单方便，周期短。如采用FPGA或DSP方案，首先是编码性能很难达到，另外其复杂的开发步骤、极大的开发难度也阻碍实际应用的快速开展。

　　图 2基于H.264的多路高清视频编码卡框图

　　基于视频编码器(芯片)的高清视频编码卡，除具有PCI从设备工作方式外，还设计了外部独立供电工作方式，当实际应用仅需要一路高清时，另外一路的高清接口可复用为网口，这样就能通过网络将压缩比特流进行实时传输。此时，PCI接口又可用来扩展各种外设接口，如WIFI、3G、USB和SATA等。另外，该卡还设计了1个扩展接口，用于外接高清CMOS Sensor模组。

　　4 系统关键特性

　　1) 多路可扩展高清编码性能

　　系统可通过PCI插槽插入多个高清视频编码卡，每个高清编码卡可支持2~4个编码芯片。单个视频编码芯片支持最大分辨率2048×1024的视频输入，支持1路1920×1080@30fps或者2路1280×720(1280×720@60fps)实时编码。

　　这样，在实际应用中系统所具有的高清视频输入路数仅受限于编码卡的大小、机箱尺寸和PCI插槽数量等。这些都可根据实际需求进行定制，从而进一步提高了系统的集成度。如对于普通具有4个PCI插槽的PC，插入4张高清视频压缩卡就能支持多达8路高清视频的实时压缩。而且，H.264视频编码由纯硬件完成，占用系统资源非常少。 [nextpage]

　　2) 灵活的功能设置

　　除具有高性能的视频编码能力外，系统还具有丰富的视频预处理功能和灵活的视频编码选项。编码器的搜索范围、Intra预测类型、GOP长度、参考帧个数、编码码率和码率控制方式、编码Profile和Level等都可根据需要进行灵活设定，这样就能保证和不同解码能力的解码器进行无缝对接。另外，系统还支持对输入视频进行去隔行、去噪声、多个文本和图形OSD叠加、图像画面缩小、移动侦测等多种图像处理功能，还支持抓取无损的原始视频信号，供主机端进行一些智能化分析和处理。如车牌识别，人脸识别等。

　　对于网络传输或存储等不同应用，对码流控制的要求是不同的。系统具有四种码率控制策略：固定量化系数(QP：quantisation parameter)、恒定比特率(CBR：Constant Bit Rate)、可变比特率(VBR：Variable Bit Rate)和平均比特率(ABR：Average Bit Rate)。每种算法都经过精心优化，能自适应对视频场景进行预先检测和判断，从而在保证视频主观质量的同时，又使得编码器输出的码率平滑和稳定，保证网络传输的效率和稳定性，避免多路高清视频压缩比特流对网络带宽造成的剧烈影响。

　　通过配置不同的前端A/D芯片，系统能支持YpbPr、HDMI、DVI、VGA等多种高清视频输入模式，而且高清视频的数据格式和同步方式均可配置，如24Bit 4：4：4 YCbCr、16Bit 4：2：2 YCbCr,、RGB 24(8：8：8)等。

　　另外，系统可接收来自CMOS/CCD 模组、视频解码器等输出的数字视频，还具有SPI、PCI、SD、UART、I2S、GPIO、I2C、MAC等多种外设接口，便于实际使用。

　　3) 系统延迟时优化设计

　　在高清视频系统中，端到端的延迟也是系统的一个重要考量。本文通过设计灵活的图像分片编码方式来降低整个视频编码的内部延迟。如编码720P格式的高清视频时，每帧数据输入系统缓冲的时间约16.7ms。通过图像分片方式，只要有一个视频分片完成输入，则立即启动编码，进行编码和比特流传输。从图像的第一个有效行数据开始，输入系统缓冲开始计时至编码器输出，整帧压缩码流的时间可以控制在20ms内。而在解码器端，每当接收到一个图像分片时，则可以启动解码器进行实时解码，而无需等待完整的帧码流输入解码器缓冲，极大地降低了端到端的延迟。所以，系统的端到端延迟大部分将取决于网络传输延迟，系统内部编解码延迟将只占很小比例。

　　这种超低延迟实时编码技术可极大地降低整个系统的端到端延迟，从而改善和提高用户主观体验。如在交互式视频游戏、远程控制等应用中就显得尤为重要。

　　5 结语

　　这种基于H.264的多路高清视频编码系统方案，专门针对多路高清视频编码应用进行了优化，具有超强编码性能、外设接口丰富、功能灵活和低延时等特点。当实际应用需对多路高清视频进行实时编码和传输时，该方案能显著降低系统成本，其高性能和易用性为高清或者多通道视频压缩应用提供了全新的选择和空间，能显著地提高客户产品性能，并减少开发时间，极大地满足了高清视频的发展需求。

　　目前，该方案已在安防视频监控、视频会议、高清视频游戏、远程机房控制、远程教育和远程医疗等领域都得到了实际应用。

　　本文作者现任职于上海富瀚微电子公司有限公司

　　编辑意见：

　　感觉文章产品宣传的色彩比较浓。

　　参考意见

　　1、文章对高清视频编码卡进行了简单的介绍，文通俗易懂，还较好，B+。

　　2、“产品宣传”还算适度吧，整文未见有品牌、型号等。

　　3、稍作了文字调整请编辑看看妥否。

　　4、第四页绿字，有疑问，是否请原作者再核一下，宁多写一二句不要太模糊，让人难理解。