基于宽带卫星通信的低码率音视频编码系统

曹文继 喻娜 任小平 王龙广 贾羽 白奉强

摘要：世界上数量众多的先进国家均把卫星通信视作救灾抢险、维护社会稳定发展的主要途径重要保障手段以及应急通信途径。因此基于卫星通信的高抗干扰性要求下造成的低通信带宽的特点，本文针对性地设计一种低码率的视频编码系统。该系统采用H265图像压缩编解码标准，使用华为海思公司的HI3516A和ADI公司的ADV7441A搭建硬件平台，在linux系统架构进行软件功能实现。最终实现高清视频信号在1Mbps低传输带宽的传输。

关键词：卫星通信;H265;HI3516A;linux

中图分类号：TN927.2   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2018）15-0061-02

Abstract：Many advanced countries in the world regard satellite communication as an important means of security and emergency communication for disaster relief and social stability. Therefore， based on the characteristics of low communication bandwidth caused by high anti-jamming requirements of satellite communication， a low bit rate video coding system is designed in this paper. The system adopts H265 image compression codec standard， uses HI3516A of Huawei Heise Company and ADV7441A of ADI Company to build hardware platform， and implements software function in Linux system architecture. Finally， high-definition video signals are transmitted at low transmission bandwidth of 1Mbps.

Keywords：satellite communication;H265;HI3516A;linux

引言：對于卫星应急通信来讲，其是在发生人为或是自然突发性紧急状况、通信设施被严重毁坏时，可以有效地保障救援保障工作而需要的通信所和必要通信所需的通信保障方法方式，其具有高时效性以及暂时性强等特征。所以，找到一种具备远距离传输、所受地理环境限制较小、便于携带与架设的卫星通信模式，同时，设计一个体积小，重量轻，携带方便，操作简单，成本低廉，在突发状况下可及时响应的便携式宽带卫星通信终端，成为迫切任务。本系统实现便携式宽带卫星通信终端中视频通信的重要功能，并且基于卫星通信的高抗干扰性要求下造成的低通信带宽的条件下，需要设计一种低码率的视频编解码系统。

卫星通信系统中卫星信号传输通道受卫星天线增益、地球同步轨道通信卫星自身参数、经纬度、天气状况、卫星带宽资源有限等特点的限制，一般上行带宽超不过1.5Mbps[1]，去掉信号包头开销，实际净荷带宽一般不超过1Mbps。而卫星应急通信中，音视频信号是主要通信业务。在这种传输条件下，需要设计一种低码率音视频编码器才能满足系统要求。传统视频压缩编码采用H264标准，但此标准无法满足高清图像的低码率压缩传输。H265编码标准作为最新视频压缩标准，具有比H264标准更高大约40%的高效图像压缩比[2]，完全可以满足本系统要求。

1 系统的总结构设计

音视频编码系统主要由视频信号采集、音频信号采集、音视频压缩、信号传输等多个功能部分组成。其中视频采集部分需要使用ADV7441A视频AD进行视频信号模数转换，然后通过BT656或BT1120数字接口传送给HI3516A进行视频信号压缩。而HI3516A音视频SOC因为内置音频CODEC，可直接采集模拟音频信号并压缩。所有压缩完成后音视频信号通过以太网进入无线卫星通信网络。图1为系统的总体设计图。

2 系统硬件方案设计

2.1编解码主控芯片。Hi3516A作为新一代行业专用HD IP摄像机SoC，集成新一代ISP，采用业界最新的H.265视频压缩编码器同时采用先进低功耗工艺和低功耗构架设计，这一切使Hi3516A在低码率、高图像质量和低功耗方面持续引领行业水平。Hi3516A最高可支持五百万像素实时视频编码，通过海思网络传输技术，能得到小于的网传延迟。

2.2视频采集AD芯片。ADV7441A，其为一类多格式、高质量的图形数字化以及视频解码器及仪仪器，且集成了2：1多路复用HDMI接收器。其所涵盖的处理部分为以下两个：其一，标清处理器，其能对全部种类PAL、NTSC、SECAM信号进行处理。其二，分量处理器。其能对RGB以及YPrPb分量格式进行处理，涵盖RGB图形。CP也可以对来自HDMI接收器的视频信号进行处理。对于模拟工作模式来讲，ADV7441A能够让HDMI源和选定HDMI端口间的HDCP链路处于活动状态中，进而能够迅速地切换于HDMI模式与模拟模式之间。

ADV7441A，其作为解码器能够把S视频信号以及PAL、NTSC、SECAM复合信号转成为数字ITU-R BT.656格式。其也能够把RGB或YPrPb分量视频信号解码成数字YPrPb或是RGB像素输出流。此器件支持525i、625i、525p、625p、720p、1080i、1080p与1250i分量视频标准。除此之外，也可以对CVBS以及标清RGB信号进行同时处理，进而支持叠加功能以及SCART。此器件能够数字化处理VGA到UXGA速率RGB图形信号，把它转换成为数字RGB或YPrPb像素输出流。ADV7441A内置双路输入HDMI兼容型接收器，最高能支持UXGA的显示分辨率以及1080p的高清电视格式。在HDCP功能被增加之后，也可以对加密视频进行接收。HDMI接收器存在着自适应均衡特性，保证此接口可以工作于长达三十米的电缆上。

3 系统软件方案设计

3.1系统软件整体设计。系统主要由H.265编码程序设计、视频图像采集和Live555程序分析三个大模块组成。

（1）H.265编码程序设计。程序通过调用HiMPP平台下的MPI来实现。首先，需要ADV7441采集实时图像，本系统利用用户选择的方式采集信号或者高清信号。第二，对MPP平台进行初始化，主要对输入和预处理系统变量进行初始化;第三，分配缓存池，本系统中，设置缓存池最大个数MaxPoolCnt为128，每池块数为20块，每块大小为SAMPLE_COMM_SYS_CalcPicVbBlkSize（）所计算的值，即每帧图像大小。第四设置Vpss;具体对stVpssGrpAttr结构体和stVpssChnMode结构体进行设置;使图像的宽、高、像素格式等等满足所需。然后使用SAMPLE_COMM_VENC_BindVpss（）函数将vpss与vi通道进行绑定。最后SAMPLE_COMM_VENC_Start（）开始编码，并用SAMPLE_COMM_VENC_BindVpss（）将编码通道与Vpss通道进行绑定，编码开始。

（2）视频图像采集。VI模块由视频输入设备和物理通道组成，Hi3516A包含一个视频输入设备（DEV0），和一个支持16个扩展通道的物理视频通道（CHN0）。DEV支持BT.656、BT.1120等接口的视频格式。本系统使用ADV7441A进行实时图像的采集。

（3）Live555程序分析。最新的live555（2018-09-06版）支持H.265格式视频的传输，但live555默认只支持发送音视频文件，对实时流文件的传输需要对源码进行改动。live555利用TaskScheduler类库完成socket的调度，来构成运行的框架。RTSP协议服务机制如下图2所示。

RTSP负责建立和控制会话，RTP负责多媒体的传输，rtcp配合RTP做控制和流量统计。以下是其具体过程：其一，与RTSP服务器监听客户端的连接请求进行构建，响应客户端所发起的请求，当连接被构建后，对RTSPClientSession文件进行创建，RTSP协议即实现于RTSPClientSession文件中。其二，实现RTSP协议的过程，客户端发送RTSP描述命令给服务器端，服务器将对应的媒体文件查找到，且形成会话描述协议（SDP）信息实施回应;然后，客户端发送RTSP建立命令服务器端建立RTP/RTRTP/RT，且对特定的Source和Sink进行构建，为得到数据、封包数据、发送数据而做好准备工作;当上述步骤被完成后，播放命令通过客户端所发送，服务器端与其请求相响应，循环地调用Source对象的成员方法得到数据且借助Sink对象的成员方法实施封包以及发送，促使流媒体服务器功能的实现;当播放时，客户端能通过终止命令发送而结束流媒体会话[3]。

3.2应用层软件设计。如图3所示Hi3516A应用层软件主要由进程A和进程B构成。其中进程A完成外部模块（如ADV7441A的初始化）、系统变量初始化、采集VI视频、启动VPSS视频处理、启动VENC视频编码以及可选视频数据文件本地存储功能。进程B主要完成压缩音视频数据获取以及数据的以RTSP协议的方式打包传输。程序设计最后应对共享内存的分配进行释放，防止系统崩溃[4]。首先，进程A基于HiMPP设计，利用Hi3516a_viu将ADV7441a解码得到的BT.1120/BT.656接口的视频采集输入，并通过Vpss（视频预处理模块）对输入进行剪裁缩放等预处理，再通过Hi3516a_venc模块对与处理后的图像进行H.265编码;同时通过内存管理器开辟共享内存，将编码处理后的H.256流文件存入其中，并合理使用系统内存。进程B利用Live555开源代码移植完成。第一，获得共享内存中的H.265流，并通过RTP协议进行传送;第二，RTSP協议对视频流的播放、暂停等进行控制;第三，通过RTCP对传输质量和网络状态进行监测。

4 结论

经过实际测试，1080P高清信号传输在500Kbps的速率带宽下，最后经过软件解码回放，图像画面产生大量马赛克和丢帧情况。当速率到达1Mbps的时候，图像画面得到很大改观，视频画面也比较流畅，没有丢帧的情况。音视频编码系统软件可以正常运行，压缩音视频信号经过电脑软件解码后也可以正常显示。在码率为1Mbps的情况下，表面图像质量较好，没有出现马赛克等误码丢包现象。系统中音频采用G.711标准PCM编码格式，速率为64Kbps。因为音频信号速率很低，不会对系统信号整体传输造成丢失或误码的情况，所以本次测试没有对音频进行专门测试。根据测试结果，此音视频编码系统完全可以满足卫星通信终端的功能和性能要求。

参考文献：

[1]贲海霞. H_265在卫星动中通图像传输中的应用.数字通信世界， 2014，04;11-13

[2]董文辉. H_265标准概览及应用研究.广播与电视技术，2015，40，12，60-64

[3]胡博，赵旦峰，王中刊. 基于H.265编解码高清视频传输系统. 应用科技，1009-671X（2017）01-027-06

[4]鲁云，韩宾，程锦发，等.基于Hi3516A的H265码流实时传输系統没汁[J].微型机与立用，2015，34：（20）：42-44.

作者简介：曹文继（1974-），男，高级工程师，硕士，主要从事数据通信和图像处理传输方面的研究.