CN108833932A - 一种实现高清视频超低延迟编解码及传输的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种实现高清图像超低延迟编解码及传输的方法及系统，该方法包括：编码器接收高清视频，并将构成所述高清视频的每一帧图像分割成若干切割帧，以每个所述切割帧为单位逐个顺次完成缓存、压缩编码和上传；以太网传输所述切割帧的压缩编码数据；解码器接收所述切割帧的压缩编码数据，以每个所述切割帧为单位顺次完成缓存和独立解码，通过对独立解码后的图像进行拼接完成每一帧图像的还原，解决现有编解码系统不能灵活裁剪和难以调整优化从而导致无法满足高实时视频传输应用的问题，实现了从编码到传输到解码的总延时小于50ms，能够满足高实时性应用的低延迟要求。

Description

一种实现高清视频超低延迟编解码及传输的方法及系统
技术领域
本发明涉及FPGA图像编解码技术领域，尤其是涉及一种可用于实时图像超低延迟传输的编解码系统。
背景技术
无人飞行器实时遥控、CCTV（闭路电视）监视系统、实时的赛况转播等应用领域都需要近乎实时的视频图像传输技术支持。如FPV(第一人称视角遥控飞行器)的控制，是基于飞行装置发回的流媒体图像反馈。为了控制飞行装置，从传感器发送视频至压缩引擎到解码图像显示(称为“玻璃对玻璃”)之间的时延通常要小于60毫秒。
视频编码是指通过特定的压缩技术，将某个视频格式的文件转换成另一种视频格式的文件。目前图像编解码系统的方案一类是采用通用的视频编解码芯片，由于使用便捷，开发周期短，被市场大规模用于实现图像压缩后到视频流的处理。如华为公司的HISILICON（海思）系列图像编解码芯片，采用H.264（数字视频压缩格式）CODEC核(图像编解码器核）和ARM嵌入式处理器结合的方式。该类方案一方面由于其编解码芯片作为一种ASIC(专用芯片)，难以调整优化，另一方面由于其网络协议栈采用行业标准，而不是为了最小化时延单独开发设计。因此，延时多超过400ms，难以满足高实时性应用的要求，架构的不灵活性也影响了其在部分更高要求领域的应用。
另一类方案是采用SOC(片上系统)芯片方案实现。如图1所示，采用赛灵思公司的ZYNQ系列芯片，其通过可编程逻辑实现CODEC核与处理器的联合，使得CODEC与处理器的耦合更加紧密，同时由于其硬件加速的特性，其延迟相比通用编解码器也有一定提升，但由于其处理器架构不能灵活裁剪和定向优化，导致其不能很好的裁剪适应定制化的低延迟协议，也难以实现高清视频超低延迟编解码。
发明内容
针对现有高清视频编解码系统中难以实现的超低延迟问题，本发明提供了一种实现高清视频超低延迟编解码及传输的方法及系统，能够满足无人飞行器实时遥控、CCTV（闭路电视）监视系统、实时的赛况转播等领域的图像传输需求。
本发明提出了一种实现高清视频超低延迟编解码及传输的方法，包括以下步骤：
步骤1，编码器接收高清视频，并将构成所述高清视频的每一帧图像分割成若干分割帧（sliceframe），以每个所述分割帧为单位逐个顺次完成缓存、压缩编码和直接存储；
步骤2，以太网传输所述分割帧的压缩编码数据；
步骤3，解码器接收所述分割帧的压缩编码数据，以每个所述分割帧为单位顺次完成缓存和独立解码，通过对独立解码后的图像进行同步流水拼接完成每一帧图像的还原。
本发明提供一种实现高清视频超低延迟编解码及传输的系统，
所述系统包括硬件编码器，所述编码器包括存储器和嵌入式处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述嵌入式处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
所述系统还包括以太网传输模块，所述以太网传输模块包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
所述系统包括解码器，所述解码器包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明的有益效果包括：
本发明有别于传统的编解码系统，具体体现在以下几个方面：
1.基于全帧分割技术和FPGA全硬件方式实现高清图像的H.264并行处理编解码压缩算法，是一种对硬件H264编码器的低延迟改进方法，从而实现编解码的低延迟，具体地，传统的硬件H264编码器编码一帧高清H.264图像需要一帧时间（从图像输入编码器到编码完成中断的时间），对于30hz的视频图像，需要的时间为33.3ms，采用图像分割帧方式，将完整一帧1920*1080图像的列进行拆分的方式，可减少缓存等待的时间，如采用16分割的方式，可将33.3ms的编码等待时间缩减到2.1ms左右；
2.基于FPGA硬件可配置的特性，自定义私有的以太网视频传输协议，采用多次小包发送的形式代替全部一次发送的形式缩短数据传输时间，实现视频流传输的超低延迟；
3.系统从编码到传输到解码总延时小于40ms，能够满足高实时性应用（如无人飞行器）的低延迟要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为传统基于SOC的编解码系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的超低延迟编解码及传输系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的对硬件H264编码器的低延迟改进的电路结构
图4是本发明实施例提供的超低延迟编解码及传输方法中编解码处理过程示意图；
图5是本发明实施例提供的超低延迟编解码及传输方法中编码器帧分割后运行示意图；
图6是本发明实施例提供的超低延迟编解码及传输方法中基于图像分割和拼接的并行编解码示意图；
图7是现有技术中网络视频流传输结构；
图8是本发明实施例提供的超低延迟编解码及传输方法中码流传输结构；
图9本发明实施例提供的超低延迟编解码及传输方法的具体流程图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种实现高清视频超低延迟编解码及传输的方法及系统。
实施例一
步骤1，编码器接收高清视频，并将构成所述高清视频的每一帧图像分割成若干分割帧，以每个所述分割帧为单位逐个顺次完成缓存、压缩编码和上传；
所述步骤1包括：
步骤11，编码器接收到高清视频后，将构成所述高清视频的每一帧图像分割成N个分割帧；
步骤12，完成第一分割帧的缓存后，进行第二分割帧的缓存同时对第一分割帧进行压缩编码；对属于同一图像帧内的每一分割帧进行独立编码；
步骤13，完成第一分割帧的压缩编码后上传，在此期间，在完成第二分割帧的缓存时对第二分割帧进行压缩编码；
步骤14，依次循环，完成第N分割帧的压缩编码后上传，至此完成一帧图像的编码和上传；在此期间，在完成第N+1分割帧的缓存时对第N+1分割帧进行压缩编码，对属于不同帧图像内的分割帧参照上一帧图像内相应位置的分割帧进行编码；
步骤15，依次循环，完成高清视频的编码和上传；
步骤2，以太网传输所述分割帧的压缩编码数据；
步骤3，解码器接收所述分割帧的压缩编码数据，以每个所述分割帧为单位顺次完成缓存和独立解码，通过对独立解码后的图像进行拼接完成每一帧图像的还原。
所述步骤3包括：
步骤31，解码器接收所述分割帧的压缩编码数据；
步骤32，完成第一分割帧的缓存后，进行第二分割帧缓存的同时对第一分割帧进行独立解码；
步骤33，完成第一分割帧的解码后并显示图像，在此期间，在完成第二分割帧的缓存时对第二分割帧进行解码；
步骤34，依次循环，完成第N分割帧的解码后并显示图像，至此完成一帧图像的解码及图像显示，对每一所述分割帧显示的图像进行拼接完成一帧图像的还原；在此期间，在完成第N+1分割帧的缓存时对第N+1分割帧进行解码；
步骤35，依次循环，完成高清视频的解码。
本发明采用FPGA全硬件RTL(寄存器传输级)方式实现。
1.基于图像分割和图像拼接的并行编解码
通常的H.264图像编码流程是，缓存一帧高清图像后启动编码器，编码器参数配置1920*1080，在整副图像编码完成后，将输出帧编码完成中断，一般编码压缩一帧1920*1080YUV422格式大小的图像需要约33ms，在编码完成后启动传输。
图像可采用的分割模式如表1所示，编码器帧分割后运行示意图见图4。
表1帧分割次数与缓存时间表
采用16分割后，每次缓存时间为2.1ms，在缓存一个分割帧后（一个分割帧为68行），启动编码，而编码器只需要在下一个分割帧缓存完之前完成当前分割帧的压缩编码工作，此方法可将33.3ms的编码缓存时间缩减到2.1ms左右。
图6为基于图像分割的并行编解码处理过程。由于H.264采用16*16像素的宏块结构，因此，对于1080P高清视频源，本实施例将完整的1920*1080图像帧分割为1920*68的格式，每个分割后的图像条，将其当成完整的图像处理，当I帧【帧内（Intraframe）压缩也称为空间压缩（Spatial compression）。当压缩一帧图像时，仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息，这实际上与静态图像压缩类似，由于帧内压缩是编码一个完整的图像，所以可以独立的解码、显示。】编码时，每个分割后的图像条单独做帧内编码（即I帧，帧内冗余数据压缩），参见图3、图4，将1帧图像分割成分割帧1、分割帧2、分割帧3和分割帧4四个分割帧，分割帧分别存储在四个静态寄存器RAM中，分割帧1、分割帧2、分割帧3和分割帧4对应存储在RAM0、RAM1、RAM2、RAM3中，然后通过分割仲裁控制器来选通四个静态寄存器RAM中的数据分别送入H264编码器，分割仲裁控制器由分割主控制器控制同步，同时将分割状态输出给分割主控制器，分割主控制器同时同步存储仲裁控制器与参考仲裁控制器。对于参考仲裁控制器，同步后依据分割主控制指令器将H264编码器的输出参考数据分别存入对应的存储器中，分割帧1、分割帧2、分割帧3和分割帧4的参考输出分别存储于DDR_5,DDR_6，DDR_7，DDR_8，同步存储仲裁控制器依据依据分割主控制器指令分别存储分割帧的编码输出结果，对应于分割帧1、分割帧2、分割帧3和分割帧4的编码结果分别存储在DDR_1,DDR_2，DDR_3，DDR_4中；此编码输出结果可分别传输；当P帧【Interframe帧差值（Frame differencing）算法是一种典型的时间压缩法，它通过比较本帧与相邻帧之间的差异，仅记录本帧与其相邻帧的差值，这样可以大大减少数据量。】编码时，每个分割帧分别参考上一帧同一位置的帧数据，再次参见图3，在编码P帧时，除参考仲裁控制器外，其余电路工作流程同上一帧I帧一样，而参考仲裁控制器需根据分割主控制器指令将H264参考输出端口和参考输入端口做切换，既上一帧缓存了参考数据的DDR_5, DDR_6，DDR_7，DDR_8，在这一P帧编码中需做为参考数据输入至H264编码器。同时参考数据输出分别存入DDR_9, DDR_10，DDR_11，DDR_12，在下一帧周期中作为参考输入数据输入至H264编码器，如此循环切换，这样每个图像条有各自独立的参考存储，互不影响，则编码端可显著的降低缓存的延迟。
对于解码端则同编码端一样，采用各个图像条的独立解码，每个位置图像条有独立的图像解码缓存，在图像条从上到下依次被解码的同时，图像显示拼接模块将图像条拼回至原图像显示。
2.用于编码数据传输的自定义以太网协议
采用图像16分割模式后，对编码器图像参数配置为分割帧的大小，则每隔2.1ms，编码器将输出一个分割帧编码完成中断，此时即可启动以太网的发送，这可以显著的减小发送的时间延迟，即采用多次小包发送的形式代替全部一次发送的形式。
如图7所示，通常网络传输视频流需要完整的多层协议的支持，编码后的码流需要经过 SPS打包，TS打包，RTP分包，RTSP服务请求，UDP传输，等多个层级的协议支持。
如图8所示，低延迟编码系统只采用网络层级中链路层的UDP协议作为实时图像数据流的传输载体，其处于以太网层级中的较低层级（数据链路层），具有相比高层（传输层）更低的延迟，而数据流采用私有协议：（1）采用数据包不定长的传输方式；（2）传输采用32bit数据位宽，采用0x00000001,0x0000000c作为数据帧头标志位(此设计采用两个32bit作为帧头标志，其0x00000001具有在H264编码后数据流中的唯一性,可方便辨识)；（3）包头长度固定为64byte。具体定义见表2。
表2低延迟编码系统私有流协议
注：表中x表示HEX（16进制）
3.具体实施流程
如图8所示，本发明一实施例的具体实施流程分为如下步骤：
步骤一：超低延迟编解码系统使用FPGA接收1920*1080的图像；
步骤二：硬件完成完整1920*1080图像帧的分割；
步骤三：硬件并行编码器对分割帧进行编码；
步骤四：编码后的压缩视频流经以以太网发送模块进行发送；
步骤五：接收端经过以太网接收模块接收到视频流；
步骤六：接收端解码器开始分割帧的解码；
步骤七：图像回拼模块拼接成完整1920*1080图像输出显示。
本发明实施例提供的实现高清视频超低延迟编码及传输的系统，包括图像输入模块、编码器、以太网传输模块、解码器；以太网传输模块包括以太网发送模块和以太网接收模块；结构如图2所示，编解码处理过程如图3所示，
所述图像输入模块采用FPGA接收高清视频；
所述编码器包括FPGA编码模块和DDR3存储模块，FPGA编码模块采用图像分割方式显著缩短编码的缓存时间，对分割后的图像单独做帧内编码，且编码器在下一个分割帧缓存完之前完成当前分割帧的压缩编码工作，每一分割帧编码完成后即刻启动以太网发送模块发送编码后的H.264数据到解码端；
所述解码端包括FPGA解码模块和DDR3存储，通过以太网接收模块接收编码端发送的H.264数据，采用各个图像条的独立解码，在图像条从上到下依次被解码的同时，图像显示拼接模块将图像条拼回至原图像显示。
所述以太网发送模块和以太网接收模块采用自定义的视频专用以太网传输协议传输数据，从而实现视频流传输的低延迟。
所述系统采用FPGA全硬件RTL方式实现。
所述以太网发送模块和以太网接收模块采用自定义的以太网视频传输协议实现高清H.264数据的超低延迟传输。以太网数据传输采用多次小包发送的形式代替全部一次发送的形式。所述以太网数据传输协议考虑了未来更高分辨率及多路同时编码解码的码流的兼容性（如支持通道ID传输，支持乱序传输等）。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，采用FPGA全硬件RTL的架构实现了视频图像的H.264编码、传输和解码、采用图像的分割重组和多次小包发送的方式实现编解码的缓存延迟和传输延迟、采用私有低延迟协议降低视频流网络传输的低延迟，且协议考虑了未来更高分辨率及多路同时编码解码的码流的传输规则。在本发明的基础上可迅速扩展支持多路更高分辨率的视频图像。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种实现高清视频超低延迟编解码及传输的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，编码器接收高清视频，并将构成所述高清视频的每一帧图像分割成若干切割帧，以每个所述切割帧为单位逐个顺次完成缓存、压缩编码和上传；
步骤2，以太网传输所述切割帧的压缩编码数据；
步骤3，解码器接收所述切割帧的压缩编码数据，以每个所述切割帧为单位顺次完成缓存和独立解码，通过对独立解码后的图像进行拼接完成每一帧图像的还原。
2.根据权利要求1所述的实现高清图像超低延迟编解码及传输的方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤11，编码器接收到高清视频后，将构成所述高清视频的每一帧图像分割成N个切割帧；
步骤12，完成第一切割帧的缓存后，进行第二切割帧的缓存同时对第一切割帧进行压缩编码；对属于同一图像帧内的每一切割帧进行独立编码；
步骤13，完成第一切割帧的压缩编码后上传，在此期间，在完成第二切割帧的缓存时对第二切割帧进行压缩编码；
步骤14，依次循环，完成第N切割帧的压缩编码后上传，至此完成一帧图像的编码和上传；在此期间，在完成第N+1切割帧的缓存时对第N+1切割帧进行压缩编码，对属于不同帧图像内的切割帧参照上一帧图像内相应位置的切割帧进行编码；
步骤15，依次循环，完成高清视频的编码和上传。
3.根据权利要求2所述的实现高清图像超低延迟编解码及传输的方法，其特征在于，所述的以太网采用自定义的以太网视频传输协议实现所述切割帧的压缩编码数据即H.264数据的传输，所述的以太网视频传输协议采用网络层级中链路层的UDP协议。
4.根据权利要求3所述的实现高清图像超低延迟编解码及传输的方法，其特征在于，所述以太网视频传输协议的数据流采用数据包不定长的传输方式。
5.根据权利要求3或4所述的实现高清图像超低延迟编解码及传输的方法，其特征在于，所述的以太网视频传输协议的数据流采用0x00000001,0x0000000c作为数据包头。
6.根据权利要求5所述的实现高清图像超低延迟编解码及传输的方法，其特征在于，所述的以太网视频传输协议的数据流包头长度固定为64byte。
7.根据权利要求2所述的实现高清图像超低延迟编解码及传输的方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤31，解码器接收所述切割帧的压缩编码数据；
步骤32，完成第一切割帧的缓存后，进行第二切割帧缓存的同时对第一切割帧进行独立解码；
步骤33，完成第一切割帧的解码后并显示图像，在此期间，在完成第二切割帧的缓存时对第二切割帧进行解码；
步骤34，依次循环，完成第N切割帧的解码后并显示图像，至此完成一帧图像的解码及图像显示，对每一所述切割帧显示的图像进行拼接完成一帧图像的还原；在此期间，在完成第N+1切割帧的缓存时对第N+1切割帧进行解码；
步骤35，依次循环，完成高清视频的解码。
8.一种实现高清视频超低延迟编码及传输的系统，所述系统包括编码器，所述编码器包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
9.一种高清视频超低延迟编码及传输的系统，所述系统包括以太网传输模块，所述以太网传输模块包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种高清视频超低延迟编码及传输的系统，所述系统包括解码器，所述解码器包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
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