基于DaVinci?平臺的網(wǎng)絡(luò)視頻解碼系統(tǒng)分析與設(shè)計

摘要：隨著視頻壓縮技術(shù)的不斷發(fā)展，單路1080p@60Hz分辨率的視頻可以壓縮到幾兆進行傳輸，一個百兆網(wǎng)口可以傳輸多達10多路的IP視頻信號。目前的服務(wù)器單純依靠CPU進行軟解碼已經(jīng)顯得非常吃力^[1];匹配高性能的服務(wù)器或者配置多臺服務(wù)器卻有存在高成本的壓力。針對這些現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一個基于TI的DaVinci?平臺的網(wǎng)絡(luò)視頻解碼系統(tǒng)。驗證結(jié)果顯示，采樣該網(wǎng)絡(luò)視頻解碼系統(tǒng)，可以使得單臺服務(wù)器增加上百路的IP視頻解碼，同時不影響服務(wù)器的其它性能，性能可靠且成本有很大優(yōu)勢。

1 TI 816X平臺簡介

　　DM816x DaVinci?視頻處理器^[2]是高度集成、可編程平臺，其具有強大的視頻處理能力，具備1080p@60Hz的H.264編解碼能力。該平臺在視頻領(lǐng)域的應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及領(lǐng)域包含：視頻編碼、解碼、轉(zhuǎn)碼和速率轉(zhuǎn)換、視頻安全、視頻會議、視頻基礎(chǔ)設(shè)施、媒體服務(wù)器和數(shù)字標(biāo)牌。

　　DM816xDaVinci?視頻處理器包含了3個高分辨率視頻和成像協(xié)處理器(HDVICP2)。每個協(xié)處理器能夠執(zhí)行一個1080P@60Hz的H.264編碼或解碼或者多個較低分辨率或幀速率的編碼和解碼。另外，也可完成多通道HD至HD或HD至SD代碼轉(zhuǎn)換以及多重編碼。同時，其具備了一個數(shù)字視頻輸出口、一個數(shù)字視頻輸入口、還有一個數(shù)字視頻輸入輸出復(fù)用口，其單個輸出輸入口還具備了多路視頻同時分時輸出、輸入功能。芯片內(nèi)部集成了Cortex?-A8 32位RISC處理器處理器和DSP內(nèi)核，同時還集成了3D圖象引擎SGX530。DM816x DaVinci?視頻處理器提供了豐富的外設(shè)。視頻接口有同步HD和SD模擬視頻的輸出和雙HD視頻輸入;網(wǎng)絡(luò)接口包含了2個具有GMII和MDIO接口的千兆位以太網(wǎng)，兩路千兆網(wǎng)提供了多路IP視頻接入的傳輸通道。豐富的外設(shè)集提供了控制外圍設(shè)備以及與外部處理器進行通信的功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

　　該網(wǎng)絡(luò)視頻解碼系統(tǒng)采用DM816X和FPGA的方案，具體功能框圖如圖1。前端網(wǎng)絡(luò)采用千兆網(wǎng)絡(luò)PHY芯片，速率為10M/100M/1000M自適應(yīng)。一般來說，網(wǎng)絡(luò)IP視頻從異地過來，均是通過一個路由進入到系統(tǒng)的前端網(wǎng)絡(luò)采集模塊;不通的路由支持支持的速率不通，同時線路的連接方式也相異，因此，我們這里采用了速率自適應(yīng)和線路自適應(yīng)的PHY芯片。在PHY片的另外一側(cè)是MAC口，對應(yīng)的是解碼芯片的MAC口，采用的是千兆通信方式，網(wǎng)絡(luò)時鐘的速率是125MHz。從帶寬上來看，前端網(wǎng)絡(luò)可以支持高達幾百路的D1視頻接入，從而保證了海量視頻數(shù)據(jù)接入的可能。

　　IP視頻解碼部分是采用TI的DM816X芯片為核心，外掛DDR和Flash等設(shè)備組成。在DM816x芯片上嵌入Linux操作系統(tǒng)，作為整個單板的主控系統(tǒng)，管理各種外設(shè)，包括網(wǎng)口、DDR、可調(diào)電源模塊和Flash等，還可通過對FPGA模塊進行寄存器讀寫來管控后端的視頻處理環(huán)節(jié)。目前網(wǎng)絡(luò)視頻大部分帶有數(shù)據(jù)打包協(xié)議，我們這個系統(tǒng)可以支持標(biāo)準(zhǔn)的RTSP協(xié)議，同時也支持非標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包，只有給出前端打包協(xié)議，就可以自定義解網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)解包后，得到H.264碼流后，便送入到816x內(nèi)置的解碼器(HDVICP2)進行解碼;解碼后的數(shù)據(jù)可以利用816x的視頻處理系統(tǒng)進行裁剪、縮放和疊加。經(jīng)過一系列處理后，將圖像通過816x的2路視頻數(shù)據(jù)輸出通道進行輸出。雖然在物理通道上只有2路視頻輸出口，但是，通過軟件編程，可以采用Tri Stream 656的方式，分時輸出6路1080p@30Hz的視頻信號到視頻緩沖和顯示處理模塊。

　　視頻緩沖和顯示處理模塊主要由FPGA芯片和位于服務(wù)器上的顯卡組成。經(jīng)過解碼芯片處理后的視頻數(shù)據(jù)進入到FPGA后，還不能直接進入到顯卡。首先，邏輯芯片需要對視頻數(shù)據(jù)進行幀緩存，把數(shù)據(jù)先放進DDR2中，在DDR2中建立3幀圖像存放空間，通過控制讀取視頻幀的速度達到幀率調(diào)整的目的。邏輯內(nèi)部的PCI-E設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)是采用串行傳輸，而從緩沖區(qū)出來的是并行視頻數(shù)據(jù)，這個時候需要對視頻數(shù)據(jù)進行并串轉(zhuǎn)換。在服務(wù)器端的顯卡，通過驅(qū)動軟件可以開辟出一塊顯存區(qū)域用于存放并顯示視頻數(shù)據(jù)。一般和PC系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互采用DMA方式是最為高效直接的，因此，我們將開辟處理的顯存區(qū)域映射到PCI-E設(shè)備中，通過邏輯程序把視頻數(shù)據(jù)通過DMA方式放入到映射區(qū)域。這樣，就相當(dāng)于直接把視頻數(shù)據(jù)放入到顯卡中進行顯示。

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