4K視頻為何越來越糊？SGMII與HEVC如何重拾高碼流體驗

1.引言

隨著網(wǎng)絡視頻平臺的發(fā)展，用戶對于4K高清畫質的需求日益增長。然而，許多用戶發(fā)現(xiàn)，即使購買了視頻平臺的會員，觀看4K內容時畫質卻不如預期，有時甚至還會出現(xiàn)模糊、卡頓的情況。這種現(xiàn)象背后涉及到視頻編碼、網(wǎng)絡帶寬、和視頻傳輸?shù)闹T多因素。

近期“影視颶風”發(fā)布的視頻《清晰度不如4年前！視頻變糊是你的錯覺嗎？》因討論視頻平臺降低碼率和改變編碼格式以壓縮視頻畫質，影響了內容表達。

4K視頻清晰度下降的一個主要原因是平臺為了節(jié)省帶寬而壓縮視頻流，有時導致比特率降低，無法發(fā)揮4K分辨率的全部潛力。

在這種背景下，如何高效地壓縮和傳輸4K視頻成為了一個關鍵技術難題。本文將探討如何通過米爾電子的ZU4EV MPSoC平臺，接入真4k 60UHD-SDI視頻源后，使用VCU進行高效H.265編解碼，再通過SGMII萬兆以太網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡推流，以確保高質量4K視頻的流暢傳輸。

2.視頻質量下降的原因與優(yōu)化方法

1）帶寬瓶頸：在用戶數(shù)量增加的情況下，服務器和網(wǎng)絡的帶寬常常無法滿足4K視頻流的需求。

2）壓縮算法不足：傳統(tǒng)的視頻壓縮技術在高分辨率內容上表現(xiàn)不佳，容易導致畫面模糊。

3）視頻流傳輸?shù)膬?yōu)化

在推流過程中，網(wǎng)絡帶寬和視頻壓縮效率直接決定了視頻播放的清晰度與流暢度。為了確保4K視頻在萬兆以太網(wǎng)上的高效傳輸，本設計采用以下優(yōu)化措施：

• 合理的碼率控制：在保證視頻清晰度的前提下，調整H.265編碼的目標碼率，避免過低的碼率影響視頻質量或過高的碼率導致帶寬浪費或。通過CBR或VBR模式可以根據(jù)網(wǎng)絡情況動態(tài)調整碼率。

• 低延時模式：VCU支持低延時編碼模式，確保視頻在壓縮和傳輸過程中保持盡可能低的延遲，提升用戶的觀看體驗。

• 網(wǎng)絡傳輸協(xié)議選擇：根據(jù)應用場景選擇合適的傳輸協(xié)議。對于實時性要求較高的場景，可選擇UDP傳輸，而對于數(shù)據(jù)可靠性要求較高的場景，則推薦使用TCP協(xié)議。

3.MPSoC與VCU架構在4K UHD音視頻廣播領域的優(yōu)勢

1.高性能與低功耗的結合：Zynq UltraScale+ MPSoC采用了16nm FinFET工藝，集成了多核處理器和可編程邏輯，能夠在提高性能的同時降低功耗，這對于音視頻廣播領域來說至關重要，因為它可以在保證高清晰度視頻傳輸?shù)耐瑫r，減少能源消耗。

2.實時壓縮與解壓縮能力：集成的VCU支持H.264/AVC和H.265/HEVC標準，能夠實現(xiàn)高達4K UHD分辨率的視頻的實時壓縮和解壓縮。這意味著在廣播應用中，可以利用VCU進行高效的視頻編碼，減少存儲空間和帶寬的需求，同時保持視頻質量。

3.多視頻流處理能力：VCU能夠同時處理多達八個不同的視頻流，這對于需要同時廣播多個視頻源的4K UHD廣播應用來說非常有用。這種多任務處理能力使得MPSoC成為多媒體中心和視頻服務器的理想選擇。

4.靈活性和可擴展性：MPSoC的可編程邏輯（PL）提供了任意到任意高速視頻/音頻接口的靈活性，可以為多媒體管道帶來定制圖像及視頻處理功能的差異化效果。這種可編程性使得系統(tǒng)能夠適應不斷變化的音視頻廣播需求。

5.專用硬件加速：MPSoC提供了專用的處理引擎，如基于ARM Cortex A53的APU、Mali圖形處理單元等，這些專用硬件能夠加速圖形和視頻處理任務，提高系統(tǒng)的整體性能。

6.支持多種視頻格式：VCU支持高達42 10位UHD-4K的視頻格式，適合專業(yè)和高端消費級的制作與后期制作解決方案。這種廣泛的格式支持使得MPSoC可以應用于各種不同的音視頻廣播場景。
7.集成的多媒體框架支持：MPSoC結合常見的多媒體框架GStreamer，可以開發(fā)硬件加速型多媒體應用。這種集成支持簡化了開發(fā)過程，使得開發(fā)者能夠快速實現(xiàn)復雜的音視頻處理任務。

8.優(yōu)化的功耗管理：Zynq UltraScale+ MPSoC將處理引擎、硬件編解碼器等組件放置在具有獨立電軌的不同電源域中，這種配置可用于為整個系統(tǒng)設計優(yōu)化功耗管理方案，進一步降低系統(tǒng)功耗。

9.高速互聯(lián)外設：MPSoC提供高速互聯(lián)外設，如集成式DisplayPort接口模塊，支持高達6 Gb/s的工作速率，這有助于處理來自PS或PL的實時音視頻流，進一步降低系統(tǒng)BOM成本。

10.支持新一代地面數(shù)字電視廣播技術：隨著超高清電視時代的到來，MPSoC與VCU架構能夠支持新一代地面數(shù)字電視廣播技術，如DVB-T2、ATSC 3.0和DTMB-A等，這些技術支持更高的視頻質量和新的廣播應用模式。

綜上所述，MPSoC與VCU架構在4K UHD音視頻廣播領域提供了高性能、低功耗、實時壓縮解壓縮、多視頻流處理、靈活性、硬件加速、廣泛格式支持、多媒體框架集成、優(yōu)化的功耗管理和高速互聯(lián)外設等多重優(yōu)勢，使其成為該領域理想的解決方案。

4.系統(tǒng)架構概述

在本設計中，我們使用Zynq UltraScale+ MPSoC平臺（具體型號為MYIR XCZU4EV），通過FPGA實現(xiàn)對SDI視頻的H265壓縮，并通過SGMII接口推送到萬兆以太網(wǎng)上。系統(tǒng)架構主要包括以下幾個部分：

1.視頻輸入：輸入源可以是SDI攝像機、SDI信號發(fā)生器或通過HDMI轉SDI設備從電腦接入的HDMI信號。視頻信號通過TI公司的LMH1219芯片做均衡處理，并將單端信號轉換為差分信號后輸入FPGA。

2.SDI視頻解碼：FPGA中的UHD-SDI GT IP核用于SDI視頻的解串，并將視頻信號轉換為AXI4-Stream格式供后續(xù)處理。通過SMPTE UHD-SDI RX SUBSYSTEM IP核，SDI視頻被解碼為RGB格式。

3.視頻幀緩存與處理：解碼后的視頻信號存儲在PS側的DDR4中，通過Xilinx提供的Video Frame Buffer Write IP核實現(xiàn)。在這一階段，可以對視頻幀進行顏色轉換、縮放等處理。

4.H.265視頻壓縮：使用Zynq UltraScale+ VCU IP核對存儲的RGB視頻幀進行H.265編碼壓縮。VCU支持YUV420格式的視頻，編碼分辨率最高可達到4K@60fps。

5.SGMII萬兆以太網(wǎng)傳輸：經(jīng)過H.265壓縮后的視頻流通過SGMII接口推送至萬兆以太網(wǎng)。通過PetaLinux系統(tǒng)，利用TCP/UDP協(xié)議將壓縮后的碼流傳輸?shù)絇C或服務器端，用戶可以通過VLC播放器等軟件實時播放接收到的H.265碼流。

5.工程設計主要流程

1.SDI輸入：通過LMH1219進行信號均衡，SDI信號轉換為AXI4-Stream格式。

通過HDMI轉SDI盒子，通過12G UHD-SDI輸出4K 60FPS視頻給FPGA，用戶也可以使用SDI 工業(yè)相機；

2.視頻解碼：UHD-SDI GT IP核完成視頻解串，SMPTE UHD-SDI RX SUBSYSTEM IP核將視頻解碼為RGB信號。

3.視頻緩存：使用Video Frame Buffer Write IP核將視頻寫入DDR4。

用戶可以選擇在這里做出customer ISP，例如圖像縮放，拼接

4.視頻壓縮：通過Zynq UltraScale+ VCU IP核對視頻進行H265壓縮。

5.網(wǎng)絡傳輸：通過SGMII萬兆以太網(wǎng)接口，將壓縮后的H265視頻流通過UDP協(xié)議推送至PC端，使用VLC播放器播放。

6.結論

在視頻內容不斷向4K發(fā)展的大背景下， 通過Zynq UltraScale+ MPSoC平臺，基于VCU實現(xiàn)的SGMII萬兆以太網(wǎng)視頻壓縮推流方案，不僅能夠高效地壓縮和傳輸4K視頻，還可以確保較低的延遲和高質量的圖像輸出。該方案適用于視頻監(jiān)控、醫(yī)療影像、工業(yè)自動化等對高分辨率視頻有需求的應用場景。

對于希望在網(wǎng)絡視頻平臺上獲得更好觀看體驗的用戶來說，視頻平臺和服務提供商則需要在視頻編碼、網(wǎng)絡傳輸?shù)确矫孢M行優(yōu)化，以滿足用戶對于4K視頻的畫質需求。

7.互動環(huán)節(jié)

在SGMII網(wǎng)兆以太網(wǎng)推流到PC端，因為是萬兆網(wǎng)，CPU無法負擔這里的高速吞吐率，這里我們需要用到網(wǎng)絡卸載，米爾電子的MYC-J7A100T雙芯設計核心板可通過SFP采集SGMII萬兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)后，PC通過PCIE讀取視頻源，實現(xiàn)萬兆網(wǎng)口數(shù)據(jù)包卸載，我們會在后續(xù)系列文章中做出分享基于米爾MYC-J7A100TSFP采集后PCIE XDMA中斷讀取。

圖：MYD-J7A100T開發(fā)板