מאת: רוב גרין, מנהל בכיר תחום Pro AV, Broadcast ו-Consumer בחברת Xilinx

הכתבה בחסות Avnet Silica Israel

השימוש בווידאו זורם (Streaming Video) נמצא בעלייה מתמדת, המתבטאת גם בצמיחת שוק שידורי וידאו חיים באינטרנט הנדחף על-ידי ענקיות כמו יוטיוב ופייסבוק. במקביל צמחה קטגוריית שירותי eSports המייצרת סוג חדש של מקורות שידור וידאו, בהם אלפי קבצים מוזרמים של משחקי מחשב. כל אלה זקוקים לקידוד, פיענוח, המרה בין פורמטים שונים, בין מהירויות העברת מידע מגוונות וברזולוציות שונות. הדבר מצריך לבצע המרות רבות המשמשות כגשר בין האותות הנכנסים ובין האותות היוצאים.

מגמות השוק מכתיבות את הדרישות

במקביל, מתגבר המעבר לרזולוציית וידאו גבוהה מסוג 4K. מסכי 4K כבר מצויים בבתים רבים ומציבים אתגרים מיוחדים בפני שידורים חיים (live IP streaming) עקב מגבלת הזמינות של רוחב פס. אומנם תקן 1080p צפוי להיות פורמט הסטרימינג הנפוץ ביותר, אולם המשקל הגובר של מצלמות וסמארטפונים בעלי יכולות 4K, מחייב לקלוט אותות 4K זורמים ולעבד אותם מחדש כדי לשדר את הסרטון הזה משודר בפורמט שונה, מצומק יותר. ראוי לזכור שהמרת קובץ 4K HEVC לפורמטים השונים דורשת עוצמת עיבוד גדולה פי חמישה בהשוואה להמרת אותות בתקן H.264 (המוכר גם בכינוי MPEG-4 AVC).

ולבסוף, נמשך המאמץ להקטין את זמני ההשהייה הכוללים (end-to-end latency) של שידורים חיים. במקרים רבים ההשהייה מגיעה למשך של דקה שלמה, והדבר דורש להתקין כלים לקיצור זמני ההשהייה בכל אחד ממרכיבי הרשת. ספקי שירותים רבים דורשים תמיכה בריבוי זרמי וידאו ובריבוי טכנולוגיות קידוד. תקן H.264 נפוץ מאוד לצורכי דחיסת אותות, כאשר הדור הבא שלו, H.265, כבר מתחיל להיכנס אל השוק.

כיום המערכות נדרשות להציג יכולת לקודד אותות באחד או בשני התקנים האלה ביחד, ולבצע קידוד סימולטני של האות ברזולוציות ובקצבי העברה שונים. במונחי ביצועים, מדובר במדידת פרמטר בשם SWAP, קיצור של "גודל, משקל וצריכת הספק". שימוש בליבות קידוד ייעודיות ומוקשחות מספק הפחתה דרמטית של מדד ה-SWAP. בנוסף יש צורך בפתרון חכם אשר יודע להסתגל אל הרשת ומאפשר לבצע גם תכנות מחדש לפי דרישה.

הפתרון הטוב ביותר הוא פשרה מוצלחת

כלומר אנחנו מחפשים את הגמישות הנחוצה לתמיכה בהזרמת קבצי וידאו רבים, בפורמטים ובתנאי רשת שונים – ולצרכים שונים. ניקח לדוגמה מקור וידאו המבוסס על מצלמה המתעדת אירוע ספורט בזמן אמת. מהירות העברת המידע במקרה הזה עשויה להיות מוגבלת מאוד, ולכן אפשר להתפשר על איכות התמונה כדי לעמוד בתנאי רוחב הפס הזמין. גם במהלך ועידת וידאו דו-כיוונית, שבה לזמני ההשהייה יש חשיבות קריטית, מבצעים דחיסה חזקה יותר של אותות הווידאו כדי לעמוד בתנאי רוחב הפס הזמין.

התוצאה היא שאין מקודד יחיד המתאים לכל מקרי השימוש (use cases), ואנחנו זקוקים למקודד כל-כך גמיש שהוא יהיה מסוגל לספק מענה למירב הדרישות האפשריות. אומנם ניתן לרכוש פתרונות מוכנים מהמדף במתכונת של רכיבי ASIC או ASSP, אולם הם לא יספקו מענה לדרישות המדוייקות ויהיו להם חסרונות נוספים.

תוכלו למשל לקבל איכות וידאו מעולה, אולם ההשהייה תהיה גדולה מדי. לחלופין, ההשהייה יכולה להיות מדוייקת ואיכות הווידאו מעולה – אבל צריכת ההספק של אבזר הקצה תהיה גבוהה מדי. אנחנו זקוקים לגישה גמישה אשר תאפשר לכוונן את הטיפול בקבצים בהתאם לדרישות היישום ותוך ביצוע של הפשרה הטובה ביותר בין הדרישות המתנגשות.

הצגת Zynq UltraScale+ MPSoC

המעבדים הרב-שימושיים (MPSoC) ממשפחת Zynq UltraScale+ של חברת Xilinx מבוססים על מעבד זמן אמת, פלטפורמה לוגית מיתכננת (FPGA), מעגלים היקפיים וממשקי תקשורת מהירים ומופיעים במספר גרסאות הכוללות מעבד יישומים כפול, מעבד יישומים מרובע ליבות ומעבדי GPU. גרסת EV של המשפחה כוללת מעבד A53 מרובע ליבות של ARM, ומקודד וידאו מוקשח (VCU) המותקן ביחידת הלוגיקה המיתכנתת על-מנת לספק את הגמישות התפקודית הנחוצה.

 

המקודד תומך במספר פרופילי שימוש ומפעיל סדרה של כלי קידוד (כולל כלים המיועדים ל-H.265). הוא תומך בקידוד של עד 32 זרמי וידאו ובפיענוח של עד 32 זרמי וידאו – בו-זמנית. הרכיבים תומכים בתרחישי הזרמת וידאו במהירות קבועה ובמהירות משתנה, וכן בתרחישים רבים נוספים. רכיבי EV מתאימים ליישום UHD 4K ומיועדים לשימוש במערכות מולטימדיה, מערכות ADAS בכלי-רכב, מערכות מעקב ואבטחה וביישומי ראייה משובצים.

יישום וידאו אופייני

המעבד מרובע הליבות (APU) הוא לב הפתרון ומארח את מערך התוכנה (run-time software stack) הכולל את מערכת ההפעלה לינוקס, מערך הניהול, תוכנות המדיה, עיבוד קול ותוכנות נוספות של היישום הספציפי. ממשקים משובצים כמו USB 3.0 ו-SD זמינים לצורך איחסון. הווידאו עובר דרך מודול הלוגיקה המיתכנתת, המארחת את ממשקי ה-I/O של הווידאו, עיבוד וקידוד הווידאו וממשקי איתרנט במידה ויש בהם צורך. השילוב של לוגיקה מיתכנתת ביחד עם מנועי קידוד קשיחים מאפשר למצוא בזמן אמת את הפשרה האופטימלית בין צריכת ההספק, וזמני ההשהייה והתגובה.

מקודדי הווידאו הקשיחים (VCU) מאפשרים ליישם את פרוטוקולי H.264/H.265 בלא לגזול משאבים ממשאבי הלוגיקה המיתכנתת. חברת Xilinx מעריכה שהרכיב מספק את מקודד H.264/H.265 המקצועי המהיר בתעשייה, עם זמני השהייה של 30 מילי-שניות מקצה לקצה. ולמרות שרכיבי FPGA נחשבים כצרכני הספק כבדים, הרכיב החדש מבצע תהליך 4K60 מלא בהספק של כ-8.5W בלבד. הדבר חשוב ביותר עבור יישומים מופעלי סוללה, הפחתת עלויות והתמודדות עם הצורך לפזר חום.

זמינות כלי הפיתוח

כדי לפשט את הטיפול במערכת כל-כך מורכבת, מספקת Xilinx כלי פיתוח הניתנים להגדרה ברמת הפשטה גבוהה המרוחקת מהחומרה עצמה. תכנוני הייחוס משתמשים במערכת Petalinux אשר רצה על מעבדי ה-ARM, ולכן השליטה במקודדים ובשאר הפרמטרים ניתנת לביצוע באמצעות פקודות GStreame, הנכתבות בשורת הפקודות או באמצעות ממשק ההתחברות (API) אל היישום הספציפי. בדרך הזאת אפשר לשלוט בכל הפרמטרים, החל מבחירה בסוגי הקבצים (video formats) וכלה בקצב השידור של כל מקודד או במאפייני איכות הווידאו.

לסיכום, וידאו זורם הוא כיום פופולרי יותר מאי פעם, אולם דורש להתגבר על אתגרים טכניים ולבצע פשרות מורכבות בהתאם לכל יישום. מעבד Zynq UltraScale+ MPSoC של חברת Xilinx, הוא אבזר הקידוד האולטימטיבי לווידאו זורם (streaming codec device) ומספק גמישות גדולה מאוד הן ברמת החומרה והן ברמת התוכנה. למידע נוסף, אנא הקליקו על הקישורים למטה.

לפרטים נוספים:

איתמר קהלני, מנהל קו מוצרי Xilinx בחברת אבנט סיליקה, 054-5206287, [email protected]

מקורות מידע:

VCU Reference Designs On the Xilinx wiki there are many comprehensive reference designs for the VCU that can be used for evaluation and a starting point for development https://xilinx-wiki.atlassian.net/wiki/spaces/A/pages/18841711/Zynq+UltraScale+MPSoC+VCU+TRD

On Demand Training Available in the Xilinx customer training portal, learn how to build and run complex multimedia applications targeting the Zynq UltraScale+ MPSoC EV device with the help of the GStreamer framework. There is 16 hours of content and 4 labs to experiment with on the ZCU106 multimedia platform https://xilinxprod-catalog.netexam.com/Certification/45741/developing-multimedia-solutions-with-the-video-codec-unit-using-the-gstreamer-framework

PG252 – H.264/H.265 Video Codec Unit LogiCORE IP Product Guide A comprehensive documentation of all the VCU features and capabilities, with information on designing with core and application software development https://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/vcu/v1_2/pg252-vcu.pdf