. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Možnosti zpracování vícekanálového nekomprimovaného videa

Možnosti zpracování vícekanálového nekomprimovaného videa

Přiblížení možností zpracování vícekanálových nekomprimovaných a HD video proudů s obvody z portfolia společnosti Altera.

Projektování nových zařízení pro video streaming s více nekomprimovanými video kanály je novou výzvou pro všechny vývojáře. Zejména s ohledem na značnou poptávku po high-definition video proudech. Společnost ALTERA, známá především vývojem a výrobou programovatelných logických obvodů FPGA, představila v těchto dnech aplikační poznámku s názvem Streaming Multichannel Uncompressed Video in the Broadcast Environment. Jelikož se jedná o aktuální téma, kterému se i u nás věnuje celá řada velkých i menších firem, pojďme si problematiku alespoň krátce přiblížit a určit, kde jsou ona slabá místa současných systémů.

Cílem zmíněného dokumentu je přiblížení techniky streamingu vícekanálových nekomprimovaných video proudů a zjištění, nakolik jsou v tomto směru vhodné dnes standardně dostupné technologie. Řeč je o PCIe DMA řadiči a dalších "stavebních kamenů" IP jádra, spojujících se v obvodu Cyclone IV GX FPGA firmy ALTERA. Základním požadavkem je samozřejmě plná podpora SD- a HD-SDI aplikací pomocí snadno dostupných open-source video streaming protokolů, jaké jsou používány v nelineárních editorech, video serverech a video-záznamových aplikacích.

Úvod
Příchod integrovaných digitálních obvodů s vysokým stupněm integrace a výkonných procesorů, umožnil digitalizaci videa, která dále přinesla revoluci v streamování jak komprimovaných, tak i nekomprimovaných video proudů. Kromě toho, že rychlost přenosu digitálních video dat roste, přibývají i zcela nové požadavky na větší šířku pásma, které přinášejí moderní high-definition (HD) aplikace. Tyto změny se samozřejmě promítají i do požadavku na vyšší výkon, nutný pro zpracování takového signálu. Však podle předpovědí, uveřejněných v těchto dnech ve zprávě Annual Cisco Visual Networking Index Forecast Projects Global IP Traffic to Increase More Than Fourfold by 2014 bude v roce 2014 představovat největší vytížení sítě internet právě přenos videa.

Obvody Altera® Cyclone® IV GX FPGA s integrovaným I/O transceiverem s přenosovou rychlostí až 3,125 Gb/s, podporou triple-rate serial digital interface (SDI) protokolu ze standardního rozlišení (SD) na HD v rozlišení 1080p. Jiné video aplikace požadují podporu protokolů jako je Gigabit Ethernet (GbE), DisplayPort a V-by-One (Vx1). Mezi základní podporu obvodů Cyclone IV GX FPGA rovněž patří integrované PCI Express (PCIe) či pevný IP blok, snižující využití dostupných zdrojů FPGA i návrhový čas.

Video streaming na pozadí
Streamování videa může zahrnovat buď tzv. on-demand přenos a nebo živé vysílání komprimovaného či nekomprimovaného videa. Většina požadavků, kladených na vysílací studio, spoléhá na nekomprimované SDI, zpracovávané ve studiu. Typicky takové proudy vedou mezi přepínači, servery a kamerami. Zatímco komprimované video streamy jsou použity v některých studiových aplikacích pro video, přenášené přes internetové protokoly.

Nekomprimované video streamy poskytují nízké zpoždění a eliminují artefakty, vznikající jeho kompresí. Komprimované video může mít více technických nedokonalostí, jako je jitter, zpoždění, nebo ztráta kvality.

Video streaming se skládá ze tří kroků:

1. Konverze příchozího SDI streamu do 20-bitových paralelních bloků
2. Konverze paralelního signálu na jiné standardní rozhraní, nejčastěji PCIe nebo Ethernet
3. Doručení video streamu na konečné místo určení

Broadcast trendy
Přechod k HD a nyní až na 1080p pomocí 3G-SDI je jedním z nejnovějších trendů technologie vysílání. Dalším je provádění pracovních postupů bez klasické pásky, které nabízejí integrovanou produkci a správu obsahu pro vícekanálové a multiplatformní aplikace. Bezpáskové workflow může streamované video převzít až na playout a zároveň se opírat o integraci video produkčních serverů, centrální úložiště a související software řízení výroby.

Souborově založené workflow umožňuje rozvoj bezpáskového pracovního prostředí. Toto řešení poskytuje mnohem vyšší flexibilitu a lepší řízení práce s videem, možnosti úprav a nakonec nahrání na vysílací serverové playout zařízení. Souborové systémy jsou založeny na speciálních aplikacích, jako je na IP založený newsgathering, streaming na internetu a online video streaming.

Pro tuto chvíli se zdá, že triple-rate SDI se stane standardním rozhraním, používaným v bezpáskových a souborově založených systémech. Podle tohoto scénáře je video SDI převedeno na formát souborů, který lze upravovat na pracovní stanici. Obrázek 1 ukazuje PCIe sběrnici, která je nejčastěji užívaným rozhraním pro příjem a přenos video streamů z/do domény SDI.


Obr. 1: Souborově založený bezpáskový systém

SDI-PCIe přemostění je využíváno především ve video serverech a video I/O kartách pro nelineární střih. Základní stavební kameny jsou kombinované zpracování video streamu se sběrnicí PCIe a použití SDI kabelových ekvalizérů a budičů jako front-end rozhraní. Jádro video streamingu a zpracování videa je definováno v centrálním bloku, kde jsou obvody Cyclone IV GX FPGA využity k vytvoření vlastní implementace, určené pro konkrétní řešení daných požadavků. Podobně se ve shodném FPGA může uplatnit i sběrnicové rozhraní PCIe.

Aplikace Video-Server a Video-Capture
Video-server a video-záznamové I/O karty mají shodnou hardwarovou architekturu, jak je uvedeno na obr. 2. V závislosti na konkrétním výrobci mohou být jednotlivé požadované funkce umístěny buď na jedinou společnou kartu nebo několik samostatných karet. Některé serverové aplikace poskytují možnost kódování a dekódování H.264 videa pomocí RAW nebo MPEG2-HD formátu a to i již při samotném zpracování datového bloku.


Obr. 2: SDI-PCIe Bridge

Blok PCIe nabízí schopnost převodu video-streamingu a signálem SDI "krmit" pracovní stanici. Takový blok je však často spíše překážkou, zejména při zpracování více 3G-SDI proudů ve stejnou dobu. Vzhledem k tomu, že 3G-SDI full-duplex video streaming přes kartu PCIe se čtyřmi datovými linkami překládá na přenosovou rychlost 3,375 Gb/s, musí být blok PCIe vysoce efektivní a musí zajistit i vysokou kvalitu služeb. V obvodu Cyclone IV GX FPGA je PCIe pevný IP blok, podporující PCIe Gen1 s x1, x2, x4, endpointy a rootport funkce. Jelikož je tato funkce unikátní pro obvody Cyclone IV GX FPGA, žádné jiné low-cost FPGA, dostupné na současném trhu, nic podobného neposkytuje.

Implementace 1080p SDI-PCI Express Bridge
Architektura PCIe v moderním PC má více než dostatečnou šířku pásma pro přenos i několika 1080p60 video proudů. Úkolem pro návrháře tak je využití tohoto pásma bez přenosu nadměrných požadavků na CPU PC nebo úložné zařízení na PCIe kartě. Volba přímého přístupu do paměti (DMA) a vhodného kontroléru je proto klíčovou úlohou pro úspěch celého projektu.

Převod souboru tří 20-bitových pixelů do dvou 32-bitových slov a sestavení aktivního obrazového snímku 1920 pixelů a 1080 řádků vyžaduje více než 5,27 MB. V ideální případě vytvoří CPU jediný DMA přenos, kterým přenese tento video blok z karty do systémové paměti počítače. Bohužel, takovýto převod není obvykle možné zajistit, neboť systémová paměť je obvykle přidělována operačnímu systému PC s 4-Kbyte bloky, takže není zaručeno, že požadavek na 5,27 MB paměti bude uložen v po sobě jdoucím fyzickém paměťovém prostoru.

V důsledku tohoto omezení musí být DMA kontrolér navržen pro podporu PC scatter/gather režimu architektury (Obr. 3). V tomto režimu CPU vytvoří spojitý soubor pokynů pro DMA, z nichž každý zajistí přenos pouze 4 kB dat. DMA kontrolér zpracuje každý segment tohoto souboru v určeném pořadí a automaticky přejde na další položku seznamu. Tím lze zařízení naprogramovat tak, aby zajistilo obsluhu PC ke zpracování přidělené roztříštěné paměti a umožnilo kompletní zpracování pomocí CPU.


Obr. 3: Scatter/Gather Mode

Nevýhodou PCIe je, že vzhledem ke své složitosti má poměrně vysoké latence, v porovnání s předchozí sběrnicovou architekturou. To platí zejména pro instrukce čtení, kdy žadatel musí vyslat paket s požadavkem o konkrétní data, které cílová stanice následně odešle. Z této transakce tedy plyne dvojnásobný přístup k PCIe sběrnici a tedy násobení její latence. Zde existuje několik mechanismů, které byly zahrnuty do návrhu PCIe, určených ke zmírnění vlivu tohoto zpoždění, jako je podpora velkých paketů a možnost násobení žádostí o čtení.

Pokud DMA kontrolér čeká dokud není ukončeno předchozí čtení, vrátí se před aktuálně zpracovávaný požadavek čtení, což však omezuje výkonnost přenosu systémové paměti do karty a celková účinnost je nízká. Za účelem zlepšení tohoto nedostatku musí DMA kontrolér podporovat více požadavků čtení souběžně. To znamená, že musí stále hledět vpřed a zajišťovat obsluhu těchto požadavků ještě před tím, než jsou dokončeny předchozí operace se sběrnicí. V tomto případě jsou účinky latence požadavků čtení na celkové využití šířky pásma sběrnice značně minimalizovány.

Využití šířky pásma je lepší, nicméně, pro každý jednotlivý požadavek čtení musí být vždy zajištěna speciální operace pro scatter/gather DMA kontroléry. Čekat až do konce je však nepřijatelné, neboť to zdržuje i další sadu instrukcí, což by opět vedlo jen ke snížení celkové účinnosti systému. Čekání rovněž zvyšuje nároky na lokální úložiště, jelikož je vyžadováno zachování předchozích obrazových dat, zatímco další blok ze seznamu instrukcí je již připravován.

DMA kontroléry podporují všechny požadované funkce, které jsou tak k dispozici jako IP, které mohou být plně integrovány i do FPGA návrhu. Krom toho, všechny bloky potřebné k realizaci 1080p SDI-PCIe mostu jsou k dispozici jako jádra IP přímo od společnosti Altera a jejich partnerských společností. Obr. 4 přibližuje proces sestavení 1080p SDI-PCIe mostu pomocí nástroje SOPC Builder.


Obr. 4: Obrazovka SOPC Builder

Streaming_dma_0 komponenta, která je součástí kompletního systému Quartus® design software schematic (Obr. 5), zahrnuje kompletní PCIe rozhraní a scatter/gather DMA kontrolér. Prostředí SOPC Builder, využívané společností Altera, je Avalon® Streaming (Avalon-ST) video rozhraní s využitím IP bloků od různých výrobců a s možností komunikace s každým dalším. SOPC Builder design je pak připojen k základnímu SDI IP jádru pro zajištění kompletního hardwarového návrhu. (Obr. 6).


Obr 5. Kompletní Quartus Schematic Design


Obr. 6. Kompletní sestava vícekanálového video-streamingu integrovaného na čipu

Závěr
Dostupnost video-specifických vývojových desek a jejich přidružené SDI karty, IP jádra a uživatelsky příjemných návrhových systémů mění návrh systému na komplexní video-streaming do mnohem jednoduššího úkolu, vhodného i pro průměrného vývojáře. Krom toho, volně dostupné referenční návrhy z Altery lze použít jako výchozí body pro vytvoření libovolných projektů video-streaming aplikací. Jelikož společnost Altera neustále doplňuje a aktualizuje své nástroje a řešení, doporučujeme obrátit se místní obchodní zástupce firmy Altera s informacemi o nejnovějších verzích.

Odkazy & Download:
Domovská stránka výrobce
Přehled distributorů a kontaktů

SOPC Builder
Quartus II tutorial
Streaming Multichannel Uncompressed Video in the Broadcast Environment
Annual Cisco Visual Networking Index Forecast Projects Global IP Traffic to Increase More Than Fourfold by 2014
Cyclone IV FPGA Family: Lowest Cost, Lowest Power, Integrated Transceivers







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
PBTM s integrovanou anténou
Modul s BTM-112 od firmy Rayson usnadňuje jeho použití a doplňuje modul o anténu.
Skladem od 349 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007