重新定义低延迟——基于JPEG2000的第二代 AV-over-IP 解决方案

在深压缩（H.264/H.265）、光纤分布式与浅压缩方案激烈竞争的格局下，北格逻辑推出第二代AV-over-IP方案，以FPGA+JPEG2000为核心技术引擎，针对专业视听场景重新定义浅压缩性能标准。

方案概述

我们的方案是基于 FPGA 的 AV-over-IP 解决方案，采用 JPEG2000 编解码算法，以核心板的形式为视频分布式应用提供完整功能支持。我们为用户准备了全面的文档资料以及 SDK。当核心板烧录好编码器或解码器的固件后，用户能够像使用普通 SOC 一样，便捷地对 FPGA 的功能进行配置。与普通的 AV-over-IP ASIC 相比，我们融入了视频分布式所必需的特色功能，例如 USB 鼠键透传、4K 双码流、OSD、窗口漫游、画中画等，可将其视作专门为浅压缩分布式定制的芯片方案。接下来，将详细介绍该方案中那些独具特色的技术亮点。

图1.第二代AV-over-IP应用框图

真・低延迟

浅压缩相较于深压缩，其核心优势之一便在于低延迟特性。我们采用的 JPEG2000 编解码技术，能够实现端到端仅半帧的延迟。在 4K@60fps 的视频传输条件下，延迟稳定维持在 8.5ms。为何要着重强调端到端以及稳定无波动的 8.5ms 延迟呢？此前，我们的客户反馈，产品在运行过程中出现延迟波动的情况，比如随着运行时间增大，端到端延迟在8.5ms~25.5ms之间波动；还有客户提到，在切换视频源后，新视频源的显示延迟明显变大。实际上，我们的编解码器本身延迟控制极为精准，由于采用帧内算法，无需参考前向帧和后向帧，编解码延迟波动能够控制在几十微秒级别。经分析，导致上述延迟波动的主要原因有两点：其一，HDMI 接口输出具有帧传输Timing，在切换视频源时，如果上一帧刚开始发送，为避免黑屏，需将上一帧发送完毕后才开始发送新视频，这就使得端到端延迟在编解码器延迟基础上增加了近一帧，达到 25.5ms；其二，解码器上 HDMI 发送接口的帧率与编码器上 HDMI 接收接口的帧率存在频差，例如当 HDMI 发送帧率比 HDMI 接收帧率慢时，延迟会不断累加，直至累计延迟达到一帧，此时丢弃一帧画面后，延迟才会恢复到最小值，随后又开始新一轮的累加，在此过程中端到端延迟持续波动。

为有效解决这些问题，我们在第二代 AV-over-IP 方案中加入了 HDMI 帧率调整功能。解码器通过跟踪输入视频帧率，将 HDMI 发送帧率调整至与输入视频帧率一致，从而避免因 HDMI 接口导致的延迟波动。同时，在视频源切换时，如果切换时间点并非上一帧刚好结束，我们可通过调整 HDMI 发送速率，使整个系统的延迟在约 3 分钟内恢复到半帧的理想延迟状态。

纯・视觉无损

在常见的帧内压缩编码算法中，JPEG2000 在相同压缩倍数下，拥有极为出色的画质表现，这也是其被广泛应用于数字电影、医疗图像等对画质要求极高领域的原因。JPEG2000 以较大的计算量为代价，实现了卓越的压缩效果。它首先采用 3 - 6 级二维小波变换对图像进行高低频子带划分，接着运用位平面编码和算术编码进行压缩，最后通过率失真算法在整幅图像范围内寻求最佳码率分配方案，从而获得最优的压缩效果。

与之对比，JPEG XS (Base)仅进行了一次垂直方向和 5 次水平方向的小波变换，垂直方向的高低频分量未能充分分离，不利于后续的熵编码压缩；而且 JPEG XS 的码率控制机制仅在原图的若干行（2 - 4 行）范围内进行码率分配，当整幅图像不同区域的复杂程度存在差异时，会出现部分区域画质损失严重，而部分区域码率分配过剩甚至需要填充以维持稳定码率的情况。

在JPEG2000 本身出色的压缩效果的基础之上，我们在第二代AV-over-IP方案中，嵌入了编码增强技术，可使 JPEG2000 编解码的信噪比 PSNR 提高 50%，在 25 倍压缩时能够实现真正意义上的视觉无损（PSNR>=40)。

超・稳定码率

我们常听闻 H.264 能够将视频压缩约 150 倍，但实际上这只是一个宏观的平均效果。具体而言，对于其中的 I 帧，压缩倍数大约在 5-10 倍，而对于 B 帧，压缩倍数则可高达 200 倍以上。为实现流畅播放，通常只有两个选择：要么不限制网络传输带宽，在传输 I 帧时占用较大带宽以快速传输；要么增加延迟，使用固定网络带宽传输 I 帧。对于 H.264 来说，稳定码率和低延迟就如同鱼和熊掌难以兼得，即便在两者之间寻求平衡，传输 H.264 的网络带宽依然会存在波动，并且由于 I 帧、P 帧、B 帧解码之间存在相互依赖关系，在 150 倍压缩下，H.264 一般会产生 4 帧以上的延迟。

在我们的方案中，由于 JPEG2000 采用帧内压缩，每一帧压缩后的大小固定，其传输延迟和输出码率完全恒定。同时，为确保网络传输过程对交换机友好，我们采用了一套与 ST2110 类似的平滑传输技术，保证网络带宽在 10 微秒级别都能保持稳定。当多路视频流在交换机中汇聚到同一个解码器的网口时，不会因流量突发而导致丢包现象。

4K 双码流

此功能是针对使用 H.264 I 帧的浅压缩方案以及基于 ASIC 的浅压缩方案的一项重要优势。对于这些方案，其编解码核最多仅支持 1 路 4K60，无法在解码端实现双 4K 码流，因而也无法在解码端实现多码率拼接、漫游、无感切换等功能。

OSD 与 USB 鼠键透传

这一特色功能是针对基于 ASIC 的浅压缩方案的又一显著优势。由于这类方案并非专门针对视频分布式市场设计，一些视频分布式应用所特有的需求，如 OSD 与 USB 鼠键透传功能，它们并不具备。

下表是北格逻辑AV-over-IP方案的详细规格：

我们基于 JPEG2000 的第二代 AV-over-IP 解决方案，凭借低延迟、视觉无损、稳定码率、4K 双码流等一系列独特技术优势，在竞争激烈的分布式市场中具备强大的竞争力，有望为用户带来卓越的视频分布式应用体验，突破市场重围，赢得广阔的发展空间。请联系我们，为您打造下一代行业标杆级浅压缩分布式产品。

文章来源：北格逻辑