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分布式处理器常用三种码流的区别

来源:投影时代 更新日期:2014-04-24 作者:佚名

    网络分布式拼接处理器最核心的改变,在于数据的传输方式变为网络码流形式,从而使其继承了网络的所有特点。所以网络码流的结构是其核心关键所在,采用不同码流的处理器,其网络信号接入能力、安全性、带宽资源占有等性能也会有很大差别。目前市面上的分布式处理器主要有压缩码流、无压缩码流、混合码流三中形式,下面分别介绍它们的区别:

    一、压缩码流(如图1)

分布式处理器常用三种码流的区别

图1

    此类分布式处理器是由最早的视频编解码器以及网络抓屏演变而来,采用的压缩方式基本上是H.264或者MJPEG,其中H.264为主。这里简单说明一下H.264的压缩过程,由于各个厂家使用的基本上都是近些年流行的SOC结构,压缩过程中都是在SOC内部的编解码模块中进行,使用SOC进行开发的厂家是无法改变的。所以压缩过程完全一样。

    压缩的第一步就是色度空间的压缩。将RGB信号压缩成YUV4:2:0,使数据量减少到二分之一。这种色度空间的压缩理论是基于人眼对色度空间不敏感,而对亮度空间敏感的特性。在观看自然图像时,比如摄像头或者照片时,压缩后几乎感觉不到变化,但是在处理文字尤其是彩色文字时,文字的边缘的颜色会发生变化。下面是一张对比图,如图2:

分布式处理器常用三种码流的区别

未压缩 色度空间压缩

图2

    可以看出,红色和蓝色的文字颜色发生变化,而绿色变化小。这是因为色度空间中绿色比例大,对其所作压缩小。

    压缩的第二步就是离散余弦变换,这一步骤的理论是将图像从空间域变换到频率,然后对高频分量进行压缩。这个步骤可以将压缩比做到10:1。同样的道理,该过程对自然图像影响较小,因为自然图像高频分量少,但是对文字进行压缩后,文字边缘将会出现马赛克现象,如图3:

分布式处理器常用三种码流的区别

图3

    第三步是帧间压缩,这一步骤简单而言,就是说当前图像里面有个物体,那么就在前一张图像中找,找到了,就把那个物体搬过来,用在当前图像上,当前的图像里面就不存这个物体了,只存偏移和差值。这一步压缩比非常高,将近100:1。但是带来的后果就是延迟大。

    压缩后的码流虽然有这么多问题,但是却仍然具有很强的生命力,主要原因就是码流低,适合远程传输,方便布线和施工。并且由于SOC结构上运行了Linux操作系统,能够方便进行其他辅助工作,比如音频传输,中控等等。

    二、无压缩码流(如图4)

分布式处理器常用三种码流的区别

图4

    无压缩码流是顺应网络带宽发展,骨干网(千兆)交换机价格合理之后才出现的产物,网络进入千兆以后,利用千兆网传输无压缩图像才成为可能。即便如此,一根千兆网线一秒钟内依然无法传输一张1080p的原始图像。带宽计算如下:

    1920(图像的宽度)×1080(图像的高度)×3(一个像素有RGB三个字节)×30(帧率)=187M字节=1870Mbit(网络传输是8b/10b)编码。

    所以传输1080p 30帧的图像需要两根网线。这也是为什么我们在市场上看到的无压缩处理器基本上都留出两个网口。

    无压缩的传输方式是SOC芯片无法支持的,因为即使SOC芯片有两个千兆网口,但是由于操作系统的管理,导致利用率不到50%。所以该类处理器毫无例外的采用FPGA架构。或者简单一点说,就是无CPU的大规模集成电路。FPGA的特点是适合大批量数据处理和吞吐以及高稳定性,这在网络设备中用的很多。

    无压缩图像不会出现压缩图像出现的颜色畸变,边缘马赛克现象,这在一些图文信息上屏时不会导致误判。由于减少了压缩码流的帧间压缩,所以延迟很低,和集中式处理器能够做到完全一样。比较适合要求低延迟的会议系统,指挥系统。

    但是无压缩码流的码率非常高,通常不适合远程传输。即便是在相邻的几栋大楼之间,也需要用多组千兆网线或者万兆光纤连接。这给施工带来很大的困难,所以说除非要求图像质量好或者要求实时性高,在跨楼的项目上一般不推荐用无压缩码流的处理器。

    无压缩码流由于采用了FPGA作为主要模块,所以稳定性很高,没有死机和病毒危害的风险。

    三、混合码流(如图5)

分布式处理器常用三种码流的区别

图5

    混合码流可以说是伴随技术发展和新的市场需求应运而生的一种产品,既然压缩码流适合远程传输,而且SOC开发便利。同时压缩码流图像质量高,FPGA稳定性高。何不将其有机的结合起来,在一个产品中同时使用SOC和FPGA,它们各负责自己擅长的事情,同时又去弥补各自的不足。

    前面说过,压缩码流对自然图像质量几乎不构成影响。那么,就用压缩码流去处理自然图像。而VGA,DVI信号上的图文信息压缩后质量明显下降,那就用无压缩码流去传输。这种思路是可行的。因为自然图像几乎都是来自摄像头。从前端网络摄像头过来的信号都是压缩码流,而VGA和DVI信号都是本地信号,不需要远程传输,适合用无压缩码流。

    两者混合之后带了另一个好处就是稳定性高,压缩码流的分布式处理器是使用SOC部分去做屏控(跨屏,漫游等等)。在一个芯片上干两件事情,而且SOC设计出来基本上就是用来解码视频,简单上网用的。所以稳定性下降是很自然的。如果只让SOC干它擅长的解码和控制,FPGA负责它所擅长的屏控。那么稳定性就大大提高了。

    可以说,混合码流结构是技术融合背景下的一个必然产物,在未来的拼接市场将极具生命力,或将成为分布式的主流结构。

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