XNet网络无损音视频技术

　　前言

　　一元复始，万象更新，大屏幕显示行业迎来了一个崭新的开始。作为重要的信息化终端，大屏幕显示设备被广泛应用在能源、电力、交通、安防、广电、指挥调度等众多领域，成为国家经济建设和政治运行不可或缺的重要助力。

　　近年来，国家加快国防及安全建设、加快农村基础设施建设、加快铁路、公路和机场等重大基础设施建设等。这些重大建设工程产生了大量的大屏幕显示应用。伴随着大屏幕应用实践的深入，综合化、网络化、智能化的程度也不断提高，诞生了最新一代的图像显示综合管理系统： 网络分布式图像处理器。

　　网络分布式图像处理器，是大屏幕显示行业进化的完美结晶。众所公认，本世纪最重要的技术主线就是网络，云概念、物联网、移动互联终端等快速普及，要求作为信息化显示终端的大屏幕系统能够实现网络互联，和整个信息网络实时互动。          网络分布式拼接控制器采用了节点分布、网络传输、智能运算的系统体系，以高带宽千兆网络为载体，将专业的无损图像编解码、精细图像缩放算法、多用户图像数据交互等核心运算合理分配到众多分布式运算节点，实现了众多令人激动的大屏显示创新体验：系统规模灵活增减，海量规模信号管理，虚拟超大桌面，整屏回显录播，多屏联动，单屏64图层，信号预览触控······

　　经过了近十年的行业孕育，网络分布式图像处理器迎来了厚积薄发。

　　网络分布式处理器是时代的产物，是未来的主宰！

　　----------------- 致，网络分布式处理器元年

　　一、介绍XNet音视频算法与网络技术的结合

　　显约科技显控交互平台是基于传统集中式控制器的缺点及新的市场发展趋势而出现的。 显约科技显控交互平台是以嵌入式系统为平台，以专有实时图像编解码算法为手段，以高速以太网为通道，实现大屏幕拼接墙高性能高灵活性的显示控制的完整解决方案。他将计算机领域复杂的高带宽网络技术应用于视频数据交换，通过网络交换技术，可灵活的将大量的、多样化的视频源连接至同样大量的、多样化的输出设备上，实现视频的缩放、跨屏、漫游等功能。来满足大数据时代以往的处理器越来越满足的迫切需求，引领未来大数据显示市场。

　　XNet系列是显约科技研发的国内首创的一款大屏幕拼接产品。他将计算机领域复杂的高带宽网络技术应用于视频数据交换，通过网络交换技术，可灵活的将大量的、多样化的视频源连接至同样大量的、多样化的输出设备上，实现视频的缩放、跨屏、漫游等功能。

　　在大屏幕拼接系统中，拼接控制器的优劣直接决定着整个大屏幕显示系统效果的好与坏，也决定了整套显示系统的功能，随着大屏幕拼接墙应用的更为广泛，拼接技术也在不断地发展。

　　90年代出现的第一代为PCI工控机 架 构 ， 第 二 代 为2 0 0 0 年 出 现 的FPGA纯硬件式架构，以及最新出现的第三代分布式架构，每一代控制器都有着自己的特点。

　　第一代，第二代控制器其核心技术都是基于底板交换技术，都是集中式的控制器，都有很多难以克服的缺点。

　　分布式拼接控制器产生的历史背景

　　集中式控制器遇到的问题：

　　1.所有输入输出信号都集中连到控制器上，各种DVI，RGB线缆连接到控制器，传输距离受限，布线困难。

　　2.硬件系统交换带宽有限，无法满足特大规模信号管理。

　　3.系统升级困难，硬件规模一旦选定，其系统容量确定，就无法提升。

　　4.无法实现多显示墙信号共享，实现多屏联动。

　　5.维修成本高，系统故障需更换板卡或整机。

　　随着信息化，网络化的不断发展，大屏幕拼接系统迫切需要新的技术的出现。第三代分布式拼接控制器正是在这种环境下产生的。

　　分布式图像拼接控制器是基于改进传统集中式处理器的缺点，及新的市场应用发展趋势而出现的一种新的拼接处理器。

　　第三代分布式拼接控制器：

　　分布式是最近几年新推出的拼接控制器，是一款全新的集群分布式纯数字化处理的视讯产品。通过对视频、电脑信号的全数字化获取，采用网络传输，对信号源进行集中显示。突破了传统靠硬件模拟采集卡对采集路数和显示路数的限制，具有同时显示信号数量高，窗口操作灵活的特点。

　　近年来，网络带宽的提升为高品质视频信号流网络化传输提供了保障;而视频编码技术的发展则可在保证画面质量的前提下把视频信号的数据量压缩几倍到几十倍。大大降低对信号网络传输带宽的要求。

　　网络通讯技术、以及视频编码技术的共同发展显著提高了分布式拼接控制器信号的展示质量以及展示的实性。让信号源的接入、传输、展示、调节等将变得更加智能化、高效化、网络化、实时化。

　　另外，由于分布式拼接控制器系统采用模块化架构，全网络化的智能管理：不再受限于空间，扩展能力大幅增强。每个模块都是独立运行、不再相互影响。处理计算能力将是各模块处理计算能力的总和。

　　分布式拼接控制器优点：

　　1.信号输入与输出没有数量限制，可以无限扩展;

　　2.模块化设计，即插即配，自动识别使用系统中交换机上增加减少的节点;

　　3.支持多显示墙，实现多屏信号共享，多屏联动，多屏内容相互浏览;

　　4.方便支持大批量IP流监控摄像信号的接入;

　　5.网络布线，信号传输距离最远可达200m，如使用光纤传输则可达更远，灵活性强。

　　二、双码流技术的必要，及纯264技术的短板

　　压缩码流   (配图DVCS)将其logo模糊处理

　　此类分布式处理器是由最早的视频编解码器以及网络抓屏演变而来，采用的压缩方式基本上是H.264或者MJPEG，其中H.264为主。这里简单说明一下H.264的压缩过程，由于各个厂家使用的基本上都是近些年流行的SOC结构，压缩过程中都是在SOC内部的编解码模块中进行，使用SOC进行开发的厂家是无法改变的。所以压缩过程完全一样。

　　压缩的第一步就是色度空间的压缩。将RGB信号压缩成YUV4:2:0，使数据量减少到二分之一。这种色度空间的压缩理论是基于人眼对色度空间不敏感，而对亮度空间敏感的特性。在观看自然图像时，比如摄像头或者照片时，压缩后几乎感觉不到变化，但是在处理文字尤其是彩色文字时，文字的边缘的颜色会发生变化。下面是一张对比图。

　　可以看出，红色和蓝色的文字颜色发生变化，而绿色变化小。这是因为色度空间中绿色比例大，对其所作甚小。压缩的第二步就是离散余弦变换，这一步骤的理论是将图像从空间域变换到频率，然后对高频分量进行压缩。这个步骤可以将压缩比做到10:1。同样的道理，该过程对自然图像影响较小，因为自然图像高频分量少，但是对对文字进行压缩后，文字边缘将会出现马赛克现象。

　　无压缩码流

　　无压缩码流是顺应网络带宽发展，骨干网(千兆)交换机价格合理之后才出现的产物，网络进入千兆以后，利用千兆网传输无压缩图像才成为可能。即便如此，一根千兆网线一秒钟内依然无法传输一张1080P的原始图像。带宽计算如下：

　　1920(图像的宽度)x1080(图像的高度)*3(一个像素有RGB三个字节)*30(帧率)=187M字节=1870Mbit(网络传输是8b/10b)编码。

　　所以传输1080P30帧的图像需要两个网线。这也是我们在市场上看到的无压缩处理器基本上都留出两个网口。

　　无压缩的传输方式是SOC芯片无法支持的，因为即使SOC芯片有两个千兆网口，但是由于操作系统的管理，导致利用率不到50%。所以该类处理器毫无例外的采用FPGA架构。或者简单一点说，就是无CPU的大规模集成电路。FPGA的特点是适合大批量数据处理和吞吐以及高稳定性，这在网络设备中用的很多。

　　无压缩图像不会出现压缩图像出现的颜色畸变，边缘马赛克现象，这在一些图文信息上屏时不会导致误判。由于减少了压缩码流的帧间压缩，所以延迟很低，和集中式处理器能够做到完全一样。非常适合要求低延迟的会议系统，指挥系统。

　　但是无压缩码流的码率非常高，非常不适合远程传输。即便是在相邻的几栋大楼之间，也需要用多组千兆网线或者万兆光纤连接。这给施工带来很大的困难，所以说除非要求图像质量好或者要求实时性高，在跨楼的项目上一般不推荐用无压缩码流的处理器。

　　无压缩码流由于采用了FPGA作为主要模块，所以稳定性非常高，没有死机和病毒的风险。

　　混合码流

　　混合码流可以说是应运而生的一种产品，既然压缩码流适合远程传输，而且SOC开发便利。同时压缩码流图像质量高，FPGA稳定性高。何不将其有机的结合起来，在一个产品中同时使用SOC和FPGA，它们各负责自己擅长的事情，同时又去弥补各自的不足。

　　前面说过，压缩码流对自然图像质量几乎不构成影响。那么，就用压缩码流去处理自然图像。而VGA，DVI信号上的图文信息压缩后质量明显下降，那就用无压缩码流去传输。这种思路是可行的。因为自然图像机会都是来自摄像头。从前端网络摄像头过来的信号都是压缩码流，而VGA和DVI信号都是本地信号，不需要远程传输，适合用无压缩码流。

　　两者混合之后带了另一个好处就是稳定性高，压缩码流的分布式处理器是使用SOC部分去做屏控(跨屏，漫游等等)。在一个芯片上干两件事情，而且SOC设计出来基本上就是用来解码视频，简单上网用的。所以稳定性下降是很自然的。如果只让SOC干它擅长的解码和控制，FPGA负责它所擅长的屏控。那么稳定性就大大提高了。

　　可以说，混合码流结构是技术融合背景下的一个必然产物，在未来的拼接市场将极具备生命力，成为分布式的主流结构。

　　三、XNet技术在拼接融合矩阵产品的优势体现

　　--分布式图像拼接控制器具有众多优点--

　　其一，分布式架构，组网灵活。

　　分布式图像拼接控制器的组成部分：采集节点盒、交换机、显示节点盒、控制服务器及界面软体，几大部件都可以实现物理上分离布局。满足了越来越多的智能信息化大楼的综合实施及管理要求。

　　例如，三个会议室，有一个主会场，两个分会场，都有显示大屏，位置分开，距离数百米。其中主会场采用5×8的DLP大屏，两个分会场采用两个1×3的投影融合。三个会场要求既可以分开独立应用，又可以同步会议，分享内容。在这个案例中，三个独立的显示墙模块，要求互相调度视频数据。三组大屏各自使用自己的交换机， 独立构建自己的现场输入输出节点结构。两个分会场交换机分别使用一根万兆光纤，经过小于1000米布线，连接到主会场交换机。可以支持最多不超过10G的视频数据共享带宽。

　　其二，网络是分布式控制器的基石

　　如今是移动互联网时代，海量的信息通过移动互联终端(手机、PAD)进行交互。作为诞生自网络技术的分布式拼接控制器，天生具备海量网络信息接入能力，几乎所有的信息设备都有网络接口，无论是大型主机、用户电脑、手持移动互联网终端、IP摄像头、NVR存储设备、网络管理设备，都可以方便的接入到分布式拼接平台。另外，多数分布式处理器为用户提供了包括无线预览、触屏控制、多用户接入、多区域大屏管理等多种多样的交互体验。

　　其三，图像数据的网络化带来众多实惠

　　网线代替了VGA、DVI、视频等信号屏蔽线，施工、费用、抗射频干扰、稳定性、轻量维护……，优点多多。

　　网络分布式拼接处理器同时具备网络矩阵功能，轻松实现分布双向信号分享能力。IP摄像头无需解码器，直接接入大屏。模块化结构，故障便于控制，方便排查。网络化系统良好的扩展性、可维护性。大项目风险可控，不会出现规模困难症。同步回显、录播、网络抓屏、超清底图、虚拟桌面、单屏64图层、信号组播无限复制……

　　其四，分布式拼接处理器可以实现高清虚拟桌面上屏。

　　分布式控制器的网络接口，完美地结合了虚拟桌面技术和网络发包加网络拼接显示技术。使用一台笔记本，就可以实现256个1080p画面的显示。对于不要求动态显示的超大画面图片显示应用，分布式控制器是最优的显示方案。

　　通过普通的电脑千兆网口，安装一个XNet虚拟网络显卡驱动，则可以将电脑中的超大分辨率图像轻松送到大屏幕上，实现点到点的超清画面震撼显示。并可以灵活配置分辨率，直接与第三方高清图像数据软件对接，例如地理信息系统(GIS) 、卫星定位系统(GPS) 、电力监控系统(SCADA) 、行车调度信号系统(SIG)等。也可以显示各种矢量图形系统， 如Cadence 画图、AutoCAD 制图、UG/ProE 制图、3Dmax 等。相对传统控制器的图像采集卡的方式，XNet 高清底图软件表现出强大的灵活性、稳定性和经济性。

　　其五，分布式拼接处理器支持多模式图像预览功能

　　传统大屏控制器在正常情况下并不具备节点信息预览回显功能，用户在信号列表里面只看到

　　一列数字符号和框图，不能直观地观察到希望上屏显示的实时内容。

　　对于一些重要应用场合，需要预先知道信号

　　内容，才能发布到会议大厅的大屏幕上。在之前已经多次发生过把错误的、不合适的视频信号发布到公开场合大屏幕进行显示的事故。这与传统处理器缺乏预览控制能力，有着直接关联。

　　一般分布式处理器可支持多种模式的信号预览回显：

　　A:使用硬件节点，可以在一个单屏上实时回显任意一路或者多路组合的信号内容。

　　B:使用软件预览，可以在PC、无线平板、智能手机上回显任意一路或者多路组合的信号内容。支持多用户分权限预览，支持Web模式广域网信号预览。

　　C:使用自采集双码流节点，在信号采集端，用户可以硬件实时回显任意一路或者多路组合的信号内容。

　　其六，分布式意味着高稳定性，高可靠度

　　XNet 分布式拼接处理器意味着稳定可靠。纯硬件FPGA 核心， 无CPU， 无操作系统;模块化功能设计，算法复杂度与载荷分布均衡;全铝外壳设计，5V供电，低功耗，可靠散热，工业化结构设计，长久保固;即插即用，自动识别，主动侦错，维护简便。

　　XXNet 分布式拼接控制器与其他类型处理器对比分析

　　表表1：不同处理器对比分析表

　　如果从数据处理角度来看，PC架构的集中式采用的方法是分散采集(通过采集卡采集到内存)，分散显示(从内存到显卡)，CPU集中计算(当然，这种架构也在发展，目前开始出现了CPU只负责调度，由PCI-E  Switch芯片转发数据包，由显卡计算这种方式)。由CPU来集中处理的方式也就决定了PC架构的不稳定性

　　以及拼接路数的限制。

　　PC架构的处理器平均功耗很高，主要原因是在PC上运行，功耗的百分之九十可以叫做静态功耗，被操作系统等软件消耗掉。集中式硬件架构其实是分散化实现数据处理的，其图像处理在输出板卡完成，交换背板只负责数据分发。由于交换背板是各个厂家自行设计的，每路带宽可以达到几G带宽，但是交换背板的芯片是一种叫做高速串行总线交换开关的芯片，只能通过配置内部寄存器，作为点对点传输，这样带来的一个结果就是无法进行图像分

　　割，传输带宽是显示带宽的好几倍，所以一般而言，纯硬件集中式单屏开窗能力只能做到4路。同样的道理，交换芯片无法将采集内容数据化，也就不支持图像直接进入计算机预览的能力，所以纯硬件集中式处理的信号预览只能通过插入额外的预览卡，将图像转换成网络数据包。当然，这样做的好处是不需做复杂的帧存控制，可以达到很低的延迟。

　　分布式，尤其是嵌入式CPU分布式，利用嵌入式CPU的解码能力和内嵌Linux操作的便利性，能够很方便的进行基于H.264码流的传输，做一些灵活的大屏幕控制。由于H.264码流无法进行图像切割，存在着计算带宽是显示带宽的好几倍的问题。这在做跨屏漫游时很容易突破计算能力而导致画面停顿。H.264码流还存在参考帧和关键帧的区别，每一幅画面的解码都依赖于前几幅(可到15幅)画面。所以延迟较大。

　　纯硬件分布式由于可以作画面分割，完全按照所需带宽传输，所以可以实现单屏64路信号。纯硬件分布式没有依赖于第三方厂家的图像处理引擎(嵌入式CPU方式的图像处理引擎由芯片厂家提供)，只能自主开发，由于通用图像处理引擎过于复杂，一般自主开发时会针对大屏应用舍弃许多不需要的功能，而对大屏应用需要的部分作强化，所以能够实现低功耗高性能。

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