基于VPX 架構音視頻融合設備設計與實現

李鵬 梁瑞頭 薛丙龍

（湖南天冠電子信息技術有限公司，湖南 長沙 410205）

信息技術飛速發(fā)展，各類信息融合、快速傳遞已成為市場新的增長點。在廣泛應用的交通監(jiān)控[2]、應急處突、遠程視頻會議[1]、遠程教育培訓等應用場景，需要接入大量不同種類音視頻設備來實現音視頻監(jiān)控、指揮、調度以及席位計算機信號切換等功能。實際應用中存在音視頻格式不統(tǒng)一、專業(yè)設備種類多、各級信息接入難、保障手段繁復、實時性差等問題。

本文將VPX 架構引入音視頻通信傳輸領域，提出一種音視頻融合設備設計與實現方案。音視頻融合設備將現有的通信設備如視頻指揮系統(tǒng)、電視會議MCU 圖像臺、網絡監(jiān)控、計算機顯示信號等資源統(tǒng)一接入。通過系統(tǒng)調度控制服務，實現音視頻資源統(tǒng)一管理、按需調度。

1 方案概述

VPX 音視頻融合設備以視頻交換矩陣為中心，將從IP 鏈路（經過解碼）、SDI 輸入鏈路、錄播器、視頻拼接器等通道輸入的視頻數據送入SDI 矩陣，通過中控板音視頻配置管理軟件對送入矩陣的音視頻信號進行配置，為后端輸出的模塊配置相應信號源，系統(tǒng)的數據流圖如圖1 所示。

圖1 VPX 音視頻融合設備數據流

其中多路拼接輸出，錄播均需要用到視頻環(huán)出功能，以達到視頻錄播、拼接時，單路信號同時顯示的功能。

2 產品設計

2.1 總體設計

系統(tǒng)實現視頻信號的音視頻編解碼功能、視頻信號的服務管理功能、MCU 設備圖像臺視頻輸出功能、視頻監(jiān)控視頻輸出功能、坐席計算機界面硬編硬解上大屏功能、矩陣功能、字幕處理功能、集中控制功能（視頻信號切換、電源管理）、錄播功能等。

VPX 音視頻融合設備支持現有通信設備的音視頻信號接入，包含電視會議終端、字幕機、特技機、攝像機、錄播機、IP 攝像機、計算機操作臺、MCU 視頻會議圖像臺、視頻調度指揮、語音通信信號。支持現有監(jiān)控系統(tǒng)的音視頻信號輸出，包含投影儀、監(jiān)控大屏、電視會議終端、錄播機等，為用戶提供資源服務、業(yè)務服務、存儲服務、及集中控制服務。

音視頻信號輸入支持多品牌產品混合接入。前端設備接入VPX 音視頻融合設備平臺后，全部以網絡數字視頻流的方式進行信號的交換分發(fā)，具有輸出、切換、存儲、轉發(fā)。采用標準的TCP/IP 輸入及輸出，兼容國內外主流設備廠家，IP 鏈路可同時支持多種信號混合、長距離傳輸。各類音視頻信號的調度管理完全由配置管理軟件實現，配置管理軟件可靈活配置，保存多種應用方案。

VPX 音視頻融合設備組成如圖2 所示。

圖2 VPX 音視頻融合設備組成框圖

2.2 硬件設計

VPX 音視頻融合設備硬件采用6U 尺寸15 槽互聯交換型拓樸結構，背板遵循VITA46，豎插卡方式，雙面連接器設計。VPX 架構可提供10Gbps 數據傳輸速率，支持Rapid IO、PCI Express、以太網等高速串行信號。

前插板包含電源板、中控板、解碼板、編碼拼接板、編解碼板、視頻轉換板、矩陣板、錄播板、電子盒，后插板主要為音視頻信號轉換板、接口板。本文僅選重要板卡進行介紹。

2.2.1 解碼板設計

解碼板主要實現多路IP 信號解碼，并轉換成SDI 信號輸出給SDI 矩陣。解碼板采用高性能低功耗視頻解碼芯片Hi3536+FPGA 組成的核心方案。單塊解碼板可實現兩路IP 視頻網絡輸入接口，解碼最多16 路1080P＠30P 網絡視頻信號，輸出8 路SDI。

Hi3536 是目前主流的專業(yè)流媒體解碼芯片[3]，最高支持16路1080p30 解碼，支持包括H.264、H.265 在內的多種壓縮格式解碼。結合FPGA 的資源需求，根據IO 和速度的要求FPGA 選用Xilinx 公司K7 系列的XC7K325T-2FFG900I[4]。IP 輸入音視頻信號經Hi3536 解碼后的圖像分別通過BT1120 端口，PCIe 端口傳輸給FPGA，經FPGA 的GTx 端口，輸出SDI 信號[5]至SDI 矩陣交換板。解碼板原理框圖如圖3 所示。

圖3 解碼板邏輯框圖

2.2.2 編碼拼接板設計

編碼拼接板主要實現多路SDI 信號的H.264 編碼[6]并轉換成IP 輸出。編碼拼接板采用高性能低功耗視頻解碼芯片Hi3531a+FPGA 組成的核心方案。編碼拼接板單板支持16 路SDI 信號輸入，并選擇8 路信號進行H.264 編碼。

Hi3531 是目前主流的專業(yè)流媒體編碼芯片[7]，最高支持8路1080P＠30P 編碼。FPGA 同樣選擇Xilinx 公司的K7 系列的XC7K325T-2FFG900I 設計。做拼接功能使用時，多路SDI 信號經過FPGA 縮放，進出幀存，拼接等，再從SDI 輸出給視頻矩陣。編碼拼接板邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 編碼拼接板邏輯框圖

2.2.3 視頻格式轉換板設計

視頻格式轉換板用于將矩陣輸入的SDI 信號轉換成VGA、HDMI 輸出，同時可以將輸入的VGA、HDMI 信號轉換為SDI 信號輸給視頻矩陣。視頻格式轉換板以FPGA 為中心，輸入/輸出的SDI 信號經過FPGA GTx 端口。GTx 端口最高支持3G-SDI。VGA 輸入使用TVP7002，輸出使用ADV7123，HDMI 輸入使用LATTIC 公司的Sil9293，輸出使用Sil9024。

視頻格式轉換板以FPGA+MCU 做為核心架構，邏輯框圖如圖5 所示。

圖5 信號格式轉換板邏輯框圖

2.3 軟件設計

2.3.1 軟件組成

VPX 音視頻融合設備軟件系統(tǒng)主要由三層組成，分別是音視頻配置管理軟件、中控通信軟件、視頻編輯軟件。系統(tǒng)交聯如圖6 所示。

圖6 軟件系統(tǒng)交聯圖

2.3.2 音視頻配置管理軟件

音視頻配置管理軟件主要包括矩陣管理、方案管理兩部分。

矩陣管理包括基本信息管理、矩陣輸入端口管理、矩陣輸出端口管理及矩陣分組管理。方案管理可新建、編輯、保存多種矩陣管理配置方案。

2.3.3 中控軟件

中控軟件系統(tǒng)的驅動及應用程序是在Wind River VxWorks 6.9 下采用Workbench 3.3 開發(fā)的，Workbench 集成開發(fā)環(huán)境作為應用開發(fā)平臺具有圖形化易操作，實時性高的特點，面向嵌入式模塊提供一套完整的的開發(fā)和調試工具。設計過程中，在上位機Workbench 集成開發(fā)環(huán)境中進行編譯，生成目標文件，再將目標文件下載至中控板中進行聯動調試和分析。

VxWorks 的軟件調試運行環(huán)境結構圖如圖7 所示，主機可通過RS232 串行接口利用Xmodem 協(xié)議與目標機進行連接，也可通過10/100/1000Mbps 自適應以太網口接口利用TFTP 協(xié)議與目標機進行連接，從而完成bootrom、內核與應用程序的加載、更新、調試及下載的功能。

圖7 中控軟件運行環(huán)境結構圖

2.3.4 視頻編解碼軟件

視頻編解碼軟件驅動及應用程序是基于海思Hisilicon Linux 開發(fā)[8]，用Linux 操作系統(tǒng)需要根據實際的硬件平臺對內核進行移植與剪裁，對Uboot 的修改與配置，對板上設備驅動程序進行配置。本系統(tǒng)的內核開發(fā)基于華為海思公司提供的SDK包，該開發(fā)包里提供了Uboot、片上外圍設備驅動程序、文件系統(tǒng)、音視頻編解碼庫，因此只需根據本系統(tǒng)的實際硬件平臺對Uboot、內核、驅動、文件系統(tǒng)進行相應的修改及適配即可，降低了開發(fā)周期，提高了軟件的質量和穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)測試

VPX 音視頻融合設備支持模擬、數字、網絡視音頻編解碼處理，支持視頻指揮、電視會議終端、席位計算機顯示畫面、攝像機等多路視頻信號的切換與拼接。圖像拼接主要用于將多路視頻信號拼接整幅顯示，同時具備圖像信號處理、合成、分割、控制功能，可在大屏或投影儀等顯示終端實現開窗、移動、縮放等多個信號源的顯示功能。設備也支持SDI、VGA、HDMI 等多種視頻信號格式。

在某項目中應用于應急處理中心，實現了各級中心指揮調度人員召開視頻調度會議，能夠接收、發(fā)送、處理、存儲視頻調度信息。

4 結論

本方案依據需求，采用新一代音視頻交換管理平臺，通過低延時的編解碼系統(tǒng)實現低延時視頻數據壓縮傳輸、FPGA 完成多種圖像視頻格式的接口與轉換，實現了各類專用設備的互用和通用設備的復用。通過簡單易用的軟件業(yè)務調度控制平臺，簡化了系統(tǒng)配置、使用難度。

此方案解決了音視頻設備種類多、格式多、布線難、傳輸距離有限等實際問題，打破了設備的專用化、單一化、互不兼容的限制，實現了多種音視頻設備的融合應用，在技術保障模式、業(yè)務應用模式上給用戶提供新的體驗。