高性能8路高清直播流编码器设计
【摘要】随着技术进步，高清节目直播成为视频网站的重要功能。
本文在介绍目前网络直播编码器构成与性能基础上，设计并实现了一种高性能高密度8路HDMI输入高清直播流编码器，在1U小机箱内实现8路HDMI采集、实时高清编码、RTMP推送，并进行了长期测试。
与当前主流编码器方案比较，编码效率提高50%，功耗下降65%，体积减少80%，是一款创新性的网络高清直播流编码器。
1.网络高清直播流编码器现状
网络高清直播是人们获得实时信息的一种重要手段，大有取代卫星或有线电视的趋势。
1.1高清信源的采集接口
绝大多数高清编码采用HDMI接口作为信源输入。
高清直播源大都来自现有电视信号，鉴于很多电视信号压缩加密传送，需要专用机顶盒方能解码显示，一般是从机顶盒HDMI输出采集信号。
信源还可来自蓝光DVD播放机、高清游戏机和电脑，这些设备均有HDMI输出接口。
对于只有SDI输出的高清摄像机，可以通过转换器转换成HDMI输出。
1.2现有高清直播流编码器方案
由于网络高清直播是新生事物，每个直播服务商都有自己的实现方案，总体可分为以下几种形式：
1）单路方案：一路HDMI输入，一路RTMP输出。
又有两种实现形式：
A)专用设备
图1-1是一款HDMI进，RTMP出的设备，能
够完成HDMI采集，H264压缩，RTMP推送，
图1-1安装使用方便。
但它不关注编码效率，估计
使用了类似网络摄像头的压缩芯片。
B)组装设备
图1-2是常见实现方式，由一块单路HDMI
采集卡和一台小PC，配合Flash Media
Live Encoder软件构成。
Flash Media
Live Encoder使用简单方便，但其低码
流下压缩质量常招人诟病。
图1-2
2)多路方案：多路方案采用多路HDMI 采集卡加高性能PC 实现，目前市面上HDMI 采集卡最多为4路。
多路方案均采用软件压缩，为了4路高
清实时编码，CPU 必须是4核或以上。
根据组
装人员技术水平，软件分为两类：
A）直接采用Flash Media Live Encoder。
使用简单方便，但其低码流下编码质量不好；
B）采用X264编码。
X264是目前最好的H264
编码软件，在低码流情况下，压缩质量有较
大提升，但其配置复杂，且还要自己完成RTMP
推送工作，对技术人员要求较高。
2.高性能8路高清直播流编码器设计
设计思路是完成FPGA 与CPU、GPU 间的紧耦合，在1U 机箱内实现8路采集、编码、RTMP 推送，并将目前编码效率提升50%以上；操作界面简单实用，便于非技术人员操作。
2.1采集卡及驱动设计
目前市面上HDMI 采集卡最多集成4路输入，
配备AVSTREAM 驱动，通用性强，适应面广，但
未考虑与新型CPU 的紧耦合。
本采集卡唯一使用对象是高性能编码系统，可
以降低通用性考虑，而更关注其高性能。
因此在设
计上有几个特点：
1）集成度高，允许8路HDMI 同时输入和实时
采集；
2）DMA 传输效率高。
传统采集卡设计为了兼
容性，常采用页表方式申请内存，导致传输效率
下降。
本设计对象为专用设备，在开机加载驱动
时申请大量连续内存，提高DMA 传输效率；
3）使用图形加速内存。
普通采集卡使用系统
内存，便于CPU 获得图像数据进行软件压缩。
本
设计主要依靠硬件压缩，使用图形内存，无需CPU
干预，借助DXVA
加速，提高压缩速度。
图2-1A
图2-1B
2.2编码算法优化
编码算法优化，是本设计一大亮点，优化后的算法，比目前市面常用算法，编码效率提高50%以上，且同时支持8路高清实时编码。
算法优化分为多个方面：
1）数据采集优化。
采集卡硬件直接转换数据格式，将数据写入需要的缓冲区，无需CPU参与数据拷贝与格式转换；
2）硬件加速编码。
采用最新硬件加速编码技术，在不影响实时编码速度情况下，采用H264HighProfile最复杂编码配置，提高编码质量；
3）多B帧编码。
B帧能够显著提高编码效率，但一般视频服务器遇到2个以上连续B帧，就会产生画面抖动，本算法对其做了预矫正，在连续5个B帧时，能够流畅播放。
4）智能的码率控制。
按常识，运动图像会增大码流，运动越剧烈，码流越高。
但人眼对快速运动物体的分辨率会下降，利用该特性，在宏块（MB）级分析其运动特性，较静止的MB分配较高质量，运动大的MB分配较低质量，从而在不降低视觉效果基础上，大大降低码流。
5）多路统计复用。
本设计为8路实时编码，考虑到8路输入信号的非相关性，采用统计复用的方式，将总码流控制在一定范围，8路编码码流可相互借用。
在720P分辨率下，本优化算法与X264性能比
较见图2-2。
现有编码系统，使用4路HDMI采集卡（或4
块单路HDMI采集卡）+CPU软压，为了满足4
路高清编码速度，常采用X264fast或
veryfast模式。
从图上可以看出，在低码率情况下，优化编
码算法优于X264算法1~2db,或者说，优化算
法600Kbps码流效果相当于原来1~1.4Mbps码
图2-2
流效果。
2.3软件设计
软件基本功能是完成图像采集、编码、RTMP
发送。
为了达到良好的编码效率，需要动态配
置大量编码参数；为了通过RTMP与视频服务器
（WOWZA，RED5，FMS）连接，还需设置相关连
接参数。
图2-3
软件界面极为简洁，见图2-3，用户仅需设置每路的压缩质量与视频服务器地址即可，内部复杂设置与优化均由软件内部完成。
压缩质量分为Excellent，Good，Fair，Poor4种，对应的平均码流分别为
1.3Mbps,1.0Mbps,800Kbps,600Kbps,该码流是综艺节目的平均码流，对于体育节目，码流上浮15~20%，对于新闻节目，码率下浮10~15%。
第一版软件界面，会实时显示各路实时平均码率，第二版软件，增加实时监控8路HDMI 采集原始图像及视频服务器发布后的回环图像功能。
2.4整机装配
整机采用1U250mm短机箱，由I34370（或G3220）CPU，微星H81I miniITX主板，双滚珠涡轮风扇，2x2GB DDR3双通道内存，1U Flex电源，32GB SSD，专用8路HDMI 采集卡构成，见图2-4，2-5，2-6。
图2-4外观
图2-5内部结构
图2-6接口
3.整机测试
3.1整机接口及测试
1）输入接口：HDMI（x8）；
2）高清格式：1280*720p50/60；
3）输出接口：RJ45100/1000Mbps；
4）输出协议：RTMP；
5）供电：AC110/22050/60Hz。
重量4Kg,满负荷工作时，整机功耗小于70W。
测试：输入信号采用8台机顶盒实时接收不同的卫星高清节目，经多台HDMI分配器，将信号送到3台机器的24路HDMI输入；编码后的码流封成RTMP包，经交换机送到WOWZA直播流服务器。
对3台整机进行了满负荷测试，期间发生过停电、个别机顶盒死机和一次WOWZA服务器堆溢出，但3台整机均未出过异常。
3.2与现有同类设备的比较
比较时，同类4路编码产品，体积、功耗均按两台设备计算。
编码效率：600Kbps达到同类1~1.4Mbps编码效果，效率提升50%以上
功耗：75W与同类2x100W相比，下降65%以上
体积：1U与2x3U机箱相比，减少80%以上
4.总结
综上所述，高性能8路高清直播流编码器的使用，将极大节省网络流量、电费及空间占用率，提高设备可靠性，降低运营成本和入门门槛。
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附件编码样片下载:
1）Excellent(很好):1.3Mbps
2）Good(好)： 1.0Mbps
3）Fair(一般)：800Kbps
4）Poor（差）：600Kbps
观看实时编码效果，写信给support@，获得直播地址URL后，粘贴到VLC “网络串流”中观看。
