基于ZYNQ MPSOC图像采集与压缩系统总体设计方案

2.1 引言
在飞行任务中，高清晰度视频数据已成为分析飞行状态、评估系统性能的重要依
据。然而，4K 超高清视频产生的庞大数据量对采集、处理和存储系统提出了严峻挑
战。一路未压缩的 4K@60Hz 视频流每秒产生约 12 Gbit 数据，这些数据如不经有效
压缩，将难以实时传输和长期存储。
因此根据任务需求，本文需要设计一种能够采集压缩多路高清视频的图像处理
系统，能够实现 4K@60Hz 高清视频的实时采集、处理、H.265 压缩和多途径输出，
并支持精确时间戳水印功能。
2.2 需求分析与相关技术指标
根据任务书的要求，图像采集与压缩系统需要满足对多路 4K@60Hz 图像数据进
行采集存储和压缩，并实现多种接口输出。图像采集与压缩系统主要的技术要求如下
所示：
图像输入：完成 4 路图像输入，实现多选一配置；
视频参数：完成最高支持 4K@60Hz 的视频压缩，实现视频分辨率帧率可配置；
时间精度：存储类型图像数据完成采集前端硬件打时标功能；
视频输出：完成本地存储功能，支持回放；完成 LVDS 接口输出给外部存储模块
存储功能，实现备份管理；完成 PCM 实时输出功能；完成下 RTP 网络传输，实现同
步实时播放。视频压缩参数可通过命令控制，如分辨率、帧率。
2.3 视频处理方案选型
基于 2.2 节需求分析与技术指标，对于监控系统的视频处理过程而言，目的是实
现将接收到的多路数据进行编码压缩后保存并输出的完整功能过程，立足于多路输
入、延迟最小化及智能处理这三项设计原则，方案构建需着重考量以下几个关键方
面：
（1）充分的用户 I/O（输入/输出）接口数量保障；
（2）多样化外设接口资源配置；
（3）完整的处理系统架构，支持上层应用开发；
（4）高效能视频编解码模块，实现数据流压缩处理；
（5）专业图像处理单元，支持图像分析算法执行。
综合以上五点考虑以及当前应用市场的背景，视频处理方案选型可分为两种：
（一）分立式结构
通过 FPGA（现场可编程逻辑门阵列）与 SoC（系统级芯片）编解码芯片的协同
机制来实现。在这一架构中，FPGA 主要负责多类型接口图像数据的输出以及各接口
命令信息的并行处理功能；而 SoC 则承担嵌入式系统的开发工作，构建连接底层硬
件与上层软件的通信渠道，从而完成视频图像的获取与压缩解压过程。分立式结构如
图 2-1 所示。

2.4 视频输入方案选型
基于 2.2 节需求分析与技术指标，对于视频采集处理系统而言，目的是实现将接
收到的 HDMI 4K@60Hz 视频数据进行有效处理并传输至后端系统的完整功能。立足
于高清晰度、延迟最小化、资源高效利用这三项核心设计理念，HDMI 采集方案设计
需要考虑以下几点：
（1）支持 4K@60Hz 高分辨率 HDMI 信号采集；
（2）具备足够带宽满足高速数据传输要求；
（3）资源占用合理，有效利用系统 I/O；
（4）系统集成度高，降低硬件复杂度；
（5）数据处理灵活性强，便于后续扩展。
综合以上五点考虑以及当前技术应用背景，HDMI 采集方案选型可分为两种：
（一）外接 HDMI 解码芯片
该方案采用专用 HDMI 解码芯片与 MPSoC 的 PL 部分相连接，如图 2-3 所示。
HDMI 解码芯片接收 HDMI 差分信号，解码为并行 RGB 数据格式，然后通过并行总
线传输至 MPSoC 的 PL 端进行后续处理。

此方案优势在于设计相对成熟，接口定义明确，开发难度适中。但对于 4K@60Hz
高分辨率视频信号，存在明显局限性：市面上常见 HDMI 解码芯片（如 MS7200 等）
往往难以完全支持 4K@60Hz 的高带宽要求，多数仅支持到 4K@30Hz 或更低规格；
解码后的并行 RGB 数据需要大量 FPGA I/O 资源，以 24 位色深计算，4K@60Hz 视
频流数据率约为 12 Gbps，I/O 资源占用显著；HDMI 解码芯片芯片增加了系统功耗、
PCB 面积及复杂度；信号完整性挑战增大，高速并行总线需要精心设计时序与阻抗
匹配。
（二）HDMI 差分信号直接接入 GTH 接口
该方案将 HDMI 差分信号直接连接到 MPSoC 的 GTH 高速收发器，如图 2-4 所
示。GTH 收发器接收高速串行 HDMI 信号，在 PL 部分实现 HDMI 协议解析及图像
处理。

此方案具有显著优势：MPSoC 芯片的 GTH 收发器支持高达 33 Gbps 的数据传
输速率，完全满足 HDMI 2.0 规范下 4K@60Hz 视频流所需的 18 Gbps 带宽；直接采
用 GTH 接口大幅减少 I/O 资源占用，相比传统 RGB 并行传输减少约 80%的引脚需
求；系统集成度提高，减少外部器件数量和 PCB 走线复杂度；GTH 收发器内置均衡
器和时钟恢复电路，能更好地处理高速信号传输中的信号完整性问题；在 PL 部分可
灵活实现自定义的 HDMI 协议解析和图像处理算法，系统灵活性更高。
从系统性能方面考虑，方案二的设计更适合 4K@60Hz 高分辨率视频采集需求。
外接解码芯片方案在带宽上存在明显瓶颈，难以满足高分辨率、高刷新率的严格要
求，而 GTH 直接采集方案凭借其高达 33 Gbps 的带宽能力，可轻松应对 HDMI 1.4/2.0
标准下的全部数据流量。
从资源利用角度考虑，GTH 直接采集方案显著降低了 I/O 资源占用。对于
4K@60Hz 的视频流，若采用并行 RGB 传输，需要分配大量 FPGA 引脚；而采用 GTH
方案，仅需少量高速差分对即可完成相同功能，释放的 I/O 资源可用于系统其他功能
扩展。
从信号完整性角度考虑，高速差分信号相比大量并行数据总线具有更强的抗干
扰能力和更高的可靠性。GTH 收发器内置的信号调节和恢复功能，进一步提升了高
速信号传输的稳定性，为 4K 高清视频的稳定采集提供保障。
从系统灵活性角度考虑，方案二在 PL 端直接处理 HDMI 协议，可根据实际应用
需求进行自定义优化，包括协议解析、图像预处理、特征提取等功能，为系统后续功
能扩展奠定基础。
综合上述方案比较分析，HDMI 差分信号直接接入 GTH 方案在性能、资源利用、
系统集成度、信号完整性和灵活性等方面均具有显著优势，因此本设计选择方案二作
为 4K@60Hz HDMI 视频采集的最终实现方案。
2.5 总体架构方案
根据 2.2 节系统需求与技术指标分析、2.3 节视频处理方案选型，本系统的硬件
整体架构如图 2-5 所示，由视频采集、视频处理以及视频输出 3 个主要部分组成。视
频采集部分由 4 个 HDMI 接口组成，实时采集的超高清视频图像由平台进行实时处
理，处理内容包括 HDMI 解码、图像缩放及帧率转换、H.265 压缩、时间水印的添加
等等。图像处理完毕后，可根据不同需求经由以太网、LVDS、RS422、SD 卡多种接
口输出。

视频采集模块提供4路 HDMI 2.0接口，支持同时接入多路4K@60Hz视频信号，
并通过可编程多路复用器实现多选一输入处理。每路 HDMI 接口支持最高 18 Gbps
的带宽，完全满足 4K@60Hz 24 bit 色深视频的传输需求。模块设计了专用的视频信
号驱动均衡电路电路，确保在复杂环境下依然能够稳定采集高质量视频信号。
最终通过 GTH 高速差分接口进入 FPGA 内部的 Video PHY Controller，完成物
理层信号处理，然后通过 HDMI Receiver Subsystem 解析 HDMI 协议，提取视频数据
和控制信息。视频数据经过像素时钟域转换后，被转换为 AXI4-Stream 格式在系统内
部传输。
视频处理模块是系统的核心处理单元，负责对采集到的原始视频数据进行一系
列处理和压缩。模块首先通过 VPSS（Video Processing Subsystem）实现视频预处理，
包括色彩空间转换（如 RGB 转 YUV）、分辨率调整、去隔行、帧率转换等功能。
VPSS 采用流水线架构，支持多达 8K 分辨率的实时处理，为后续编码提供优质图像
源。
模块设计了基于 AXI-BRAM 的高精度时间戳水印功能。系统通过 AXI-BRAM
接口向 PL 端发送时间请求命令，PL 端授时模块生成精确时间信息并通过中断机制
返回给 PS 端。处理后的时间信息作为文本水印，通过 GStreamer 的 textoverlay 元素
叠加到视频帧上，确保每帧视频都携带准确的时间标记。这一设计对于飞行试验数据
的后期分析至关重要。
视频编码采用 H.265/HEVC 标准，由 MPSoC 内置的 VCU 硬件单元执行。VCU
支持最高 4K@60fps 的实时编码，压缩效率比 H.264 提高约 50%。系统可动态调整
编码参数，包括码率控制模式、量化参数、GOP 结构、参考帧设置等，平衡压缩率
与图像质量。编码过程采用零拷贝技术，避免了大量数据移动造成的性能损失，提高
了编码效率。
模块设计了高效的内存管理策略，采用缓冲机制和 DMA 传输，确保视频数据的
连续处理。通过 FPGA 实现的自定义 DMA 控制器，能够以接近内存带宽上限的速度
传输大量视频数据，满足 4K 视频实时处理的高带宽需求。
视频输出模块支持多种数据输出方式，实现了系统的多功能和高可靠性。模块设
计了四种主要输出途径，满足不同应用场景需求：本地存储功能利用 SD 卡接口，将
压缩视频以 H.265 格式保存。通过专用 LVDS 驱动芯片，将压缩后的 H.265 码流传
输至外部存储模块，实现数据备份和冗余存储。RS422 接口输出将视频数据转换为符
合 IRIG 106 综合标准的 PCM 编码数据流。网络流媒体传输基于千兆以太网接口实
现。系统支持 RTP/RTSP/HLS 等多种流媒体协议，可直接将压缩视频通过网络分发。
网络传输模块实现了 QoS（服务质量）保障机制，在网络带宽受限情况下优先保证视
频数据传输。系统还支持多播和单播两种传输模式，满足不同网络环境的需求。