基于VPX 架构音视频融合设备设计与实现

李鹏 梁瑞头 薛丙龙

（湖南天冠电子信息技术有限公司，湖南 长沙 410205）

信息技术飞速发展，各类信息融合、快速传递已成为市场新的增长点。在广泛应用的交通监控[2]、应急处突、远程视频会议[1]、远程教育培训等应用场景，需要接入大量不同种类音视频设备来实现音视频监控、指挥、调度以及席位计算机信号切换等功能。实际应用中存在音视频格式不统一、专业设备种类多、各级信息接入难、保障手段繁复、实时性差等问题。

本文将VPX 架构引入音视频通信传输领域，提出一种音视频融合设备设计与实现方案。音视频融合设备将现有的通信设备如视频指挥系统、电视会议MCU 图像台、网络监控、计算机显示信号等资源统一接入。通过系统调度控制服务，实现音视频资源统一管理、按需调度。

1 方案概述

VPX 音视频融合设备以视频交换矩阵为中心，将从IP 链路（经过解码）、SDI 输入链路、录播器、视频拼接器等通道输入的视频数据送入SDI 矩阵，通过中控板音视频配置管理软件对送入矩阵的音视频信号进行配置，为后端输出的模块配置相应信号源，系统的数据流图如图1 所示。

图1 VPX 音视频融合设备数据流

其中多路拼接输出，录播均需要用到视频环出功能，以达到视频录播、拼接时，单路信号同时显示的功能。

2 产品设计

2.1 总体设计

系统实现视频信号的音视频编解码功能、视频信号的服务管理功能、MCU 设备图像台视频输出功能、视频监控视频输出功能、坐席计算机界面硬编硬解上大屏功能、矩阵功能、字幕处理功能、集中控制功能（视频信号切换、电源管理）、录播功能等。

VPX 音视频融合设备支持现有通信设备的音视频信号接入，包含电视会议终端、字幕机、特技机、摄像机、录播机、IP 摄像机、计算机操作台、MCU 视频会议图像台、视频调度指挥、语音通信信号。支持现有监控系统的音视频信号输出，包含投影仪、监控大屏、电视会议终端、录播机等，为用户提供资源服务、业务服务、存储服务、及集中控制服务。

音视频信号输入支持多品牌产品混合接入。前端设备接入VPX 音视频融合设备平台后，全部以网络数字视频流的方式进行信号的交换分发，具有输出、切换、存储、转发。采用标准的TCP/IP 输入及输出，兼容国内外主流设备厂家，IP 链路可同时支持多种信号混合、长距离传输。各类音视频信号的调度管理完全由配置管理软件实现，配置管理软件可灵活配置，保存多种应用方案。

VPX 音视频融合设备组成如图2 所示。

图2 VPX 音视频融合设备组成框图

2.2 硬件设计

VPX 音视频融合设备硬件采用6U 尺寸15 槽互联交换型拓朴结构，背板遵循VITA46，竖插卡方式，双面连接器设计。VPX 架构可提供10Gbps 数据传输速率，支持Rapid IO、PCI Express、以太网等高速串行信号。

前插板包含电源板、中控板、解码板、编码拼接板、编解码板、视频转换板、矩阵板、录播板、电子盒，后插板主要为音视频信号转换板、接口板。本文仅选重要板卡进行介绍。

2.2.1 解码板设计

解码板主要实现多路IP 信号解码，并转换成SDI 信号输出给SDI 矩阵。解码板采用高性能低功耗视频解码芯片Hi3536+FPGA 组成的核心方案。单块解码板可实现两路IP 视频网络输入接口，解码最多16 路1080P＠30P 网络视频信号，输出8 路SDI。

Hi3536 是目前主流的专业流媒体解码芯片[3]，最高支持16路1080p30 解码，支持包括H.264、H.265 在内的多种压缩格式解码。结合FPGA 的资源需求，根据IO 和速度的要求FPGA 选用Xilinx 公司K7 系列的XC7K325T-2FFG900I[4]。IP 输入音视频信号经Hi3536 解码后的图像分别通过BT1120 端口，PCIe 端口传输给FPGA，经FPGA 的GTx 端口，输出SDI 信号[5]至SDI 矩阵交换板。解码板原理框图如图3 所示。

图3 解码板逻辑框图

2.2.2 编码拼接板设计

编码拼接板主要实现多路SDI 信号的H.264 编码[6]并转换成IP 输出。编码拼接板采用高性能低功耗视频解码芯片Hi3531a+FPGA 组成的核心方案。编码拼接板单板支持16 路SDI 信号输入，并选择8 路信号进行H.264 编码。

Hi3531 是目前主流的专业流媒体编码芯片[7]，最高支持8路1080P＠30P 编码。FPGA 同样选择Xilinx 公司的K7 系列的XC7K325T-2FFG900I 设计。做拼接功能使用时，多路SDI 信号经过FPGA 缩放，进出帧存，拼接等，再从SDI 输出给视频矩阵。编码拼接板逻辑框图如图4 所示。

图4 编码拼接板逻辑框图

2.2.3 视频格式转换板设计

视频格式转换板用于将矩阵输入的SDI 信号转换成VGA、HDMI 输出，同时可以将输入的VGA、HDMI 信号转换为SDI 信号输给视频矩阵。视频格式转换板以FPGA 为中心，输入/输出的SDI 信号经过FPGA GTx 端口。GTx 端口最高支持3G-SDI。VGA 输入使用TVP7002，输出使用ADV7123，HDMI 输入使用LATTIC 公司的Sil9293，输出使用Sil9024。

视频格式转换板以FPGA+MCU 做为核心架构，逻辑框图如图5 所示。

图5 信号格式转换板逻辑框图

2.3 软件设计

2.3.1 软件组成

VPX 音视频融合设备软件系统主要由三层组成，分别是音视频配置管理软件、中控通信软件、视频编辑软件。系统交联如图6 所示。

图6 软件系统交联图

2.3.2 音视频配置管理软件

音视频配置管理软件主要包括矩阵管理、方案管理两部分。

矩阵管理包括基本信息管理、矩阵输入端口管理、矩阵输出端口管理及矩阵分组管理。方案管理可新建、编辑、保存多种矩阵管理配置方案。

2.3.3 中控软件

中控软件系统的驱动及应用程序是在Wind River VxWorks 6.9 下采用Workbench 3.3 开发的，Workbench 集成开发环境作为应用开发平台具有图形化易操作，实时性高的特点，面向嵌入式模块提供一套完整的的开发和调试工具。设计过程中，在上位机Workbench 集成开发环境中进行编译，生成目标文件，再将目标文件下载至中控板中进行联动调试和分析。

VxWorks 的软件调试运行环境结构图如图7 所示，主机可通过RS232 串行接口利用Xmodem 协议与目标机进行连接，也可通过10/100/1000Mbps 自适应以太网口接口利用TFTP 协议与目标机进行连接，从而完成bootrom、内核与应用程序的加载、更新、调试及下载的功能。

图7 中控软件运行环境结构图

2.3.4 视频编解码软件

视频编解码软件驱动及应用程序是基于海思Hisilicon Linux 开发[8]，用Linux 操作系统需要根据实际的硬件平台对内核进行移植与剪裁，对Uboot 的修改与配置，对板上设备驱动程序进行配置。本系统的内核开发基于华为海思公司提供的SDK包，该开发包里提供了Uboot、片上外围设备驱动程序、文件系统、音视频编解码库，因此只需根据本系统的实际硬件平台对Uboot、内核、驱动、文件系统进行相应的修改及适配即可，降低了开发周期，提高了软件的质量和稳定性。

3 系统测试

VPX 音视频融合设备支持模拟、数字、网络视音频编解码处理，支持视频指挥、电视会议终端、席位计算机显示画面、摄像机等多路视频信号的切换与拼接。图像拼接主要用于将多路视频信号拼接整幅显示，同时具备图像信号处理、合成、分割、控制功能，可在大屏或投影仪等显示终端实现开窗、移动、缩放等多个信号源的显示功能。设备也支持SDI、VGA、HDMI 等多种视频信号格式。

在某项目中应用于应急处理中心，实现了各级中心指挥调度人员召开视频调度会议，能够接收、发送、处理、存储视频调度信息。

4 结论

本方案依据需求，采用新一代音视频交换管理平台，通过低延时的编解码系统实现低延时视频数据压缩传输、FPGA 完成多种图像视频格式的接口与转换，实现了各类专用设备的互用和通用设备的复用。通过简单易用的软件业务调度控制平台，简化了系统配置、使用难度。

此方案解决了音视频设备种类多、格式多、布线难、传输距离有限等实际问题，打破了设备的专用化、单一化、互不兼容的限制，实现了多种音视频设备的融合应用，在技术保障模式、业务应用模式上给用户提供新的体验。