馬希超，魏志強(qiáng)，葛 珊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

隨著無人機(jī)在偵察監(jiān)視、安防保衛(wèi)、森林消防及航拍攝影等眾多領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，作為其核心載荷的光電吊艙得到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注［1-2］。在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，光電吊艙作為無人機(jī)的“眼睛”，通過有線或無線傳輸鏈路將采集的可見光視頻和紅外視頻實(shí)時(shí)傳輸至地面，由地面操控臺(tái)上運(yùn)行的顯控軟件接收并顯示。目前，主流的光電吊艙采集的可見光視頻分辨率基本都可達(dá)到1 920×1 080 像素，幀率為25 f/s 或30 f/s。通過計(jì)算可知，如果直接傳輸原始視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量會(huì)達(dá)到Gb/s 的量級(jí)，對(duì)于遠(yuǎn)距離無線傳輸來說極難實(shí)現(xiàn)。因此，通常對(duì)視頻進(jìn)行編碼，如采用H.264 或H.265 格式，將數(shù)據(jù)量壓縮至Mb/s 的量級(jí)，再經(jīng)無線鏈路傳輸后由地面顯控軟件解碼后顯示［3-4］。

視頻編解碼的引入對(duì)顯控軟件提出了更高的要求［5］，主要體現(xiàn)在實(shí)時(shí)性和平穩(wěn)性兩個(gè)方面。一方面，顯控軟件從接收視頻流到解碼再到顯示需經(jīng)過多個(gè)環(huán)節(jié)，若簡(jiǎn)單地順序執(zhí)行，必然會(huì)導(dǎo)致較大的滯后，對(duì)操控設(shè)備和觀察視頻造成明顯的影響。為保證較好的實(shí)時(shí)性，需要設(shè)計(jì)合理的多線程架構(gòu)，盡量減小視頻顯示的延遲滯后。另一方面，在H.264或H.265 格式的視頻碼流中，視頻幀分為關(guān)鍵幀（I幀）、前向參考幀（P幀）和雙向參考幀（B幀）3類［6］。其中，I 幀每隔一定時(shí)間出現(xiàn)一次，包含一幀圖像的完整信息，因此數(shù)據(jù)量較大；其余的P 幀和B 幀只包含幀差信息，數(shù)據(jù)量小。因此，傳輸、接收及解碼I 幀時(shí)所需的時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致視頻在顯示時(shí)出現(xiàn)周期性卡頓現(xiàn)象。此時(shí)，需要采取適當(dāng)?shù)姆椒▉肀ＷC視頻顯示的平穩(wěn)性。

本文描述一種針對(duì)機(jī)載光電吊艙的視頻流實(shí)時(shí)解碼顯示技術(shù)。通過設(shè)計(jì)合理的多線程架構(gòu)，采用動(dòng)態(tài)圖像緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了視頻解碼顯示的低延遲和無卡頓，提高了顯控軟件的實(shí)時(shí)性和平穩(wěn)性。

1 流程和線程設(shè)計(jì)

整個(gè)流程分為3 個(gè)線程，即接收線程、解碼線程及顯示線程。3 個(gè)線程并行運(yùn)行，通過視頻流緩存和圖像緩存兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。處理流程和線程結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 流程圖

在接收線程中，程序以循環(huán)的方式不斷接收視頻流數(shù)據(jù)并存入視頻流緩存；解碼線程同樣以循環(huán)的方式不斷檢查視頻流緩存中的數(shù)據(jù)量，當(dāng)數(shù)據(jù)量超過一定的閾值，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并將解碼后的圖像存入圖像緩存；顯示線程以定時(shí)器方式周期性地從圖像緩存中提取圖像進(jìn)行顯示。3 個(gè)線程在各自獨(dú)立運(yùn)行的同時(shí)緊密配合，以保證數(shù)據(jù)的快速傳遞，最大限度降低延遲，同時(shí)數(shù)據(jù)流向清晰，避免產(chǎn)生線程沖突。

2 接收與解碼

接收線程用于完成光電吊艙下傳視頻流的接收。光電吊艙通常采用UDP 通信協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)下傳視頻流，可能帶有加密幀頭。接收線程通過循環(huán)的方式不斷讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議從加密數(shù)據(jù)包中提取有效的視頻流數(shù)據(jù)，并立即將數(shù)據(jù)存入視頻流緩存。視頻流緩存為全局存儲(chǔ)區(qū)，需具備大量數(shù)據(jù)快速寫入寫出的能力。同時(shí)，它對(duì)內(nèi)存空間的控制十分重要，一旦發(fā)生接收線程和解碼線程配合失常的情況，如接收線程正常運(yùn)行而解碼線程由于初始化問題未能運(yùn)行時(shí)，視頻流緩存將出現(xiàn)只存入不取出的情況，最終導(dǎo)致內(nèi)存溢出，程序崩潰。為避免這種情況的發(fā)生，采用環(huán)形存儲(chǔ)器作為視頻流緩存。環(huán)形存儲(chǔ)器采用先進(jìn)先出原則，當(dāng)存儲(chǔ)空間用盡后會(huì)從尾部回到頭部，用新的數(shù)據(jù)覆蓋最早的數(shù)據(jù)。這樣既可以免去不斷申請(qǐng)新內(nèi)存空間的開銷，又可避免出現(xiàn)內(nèi)存溢出的情況。在程序運(yùn)行過程中，接收線程控制存儲(chǔ)器的寫入指針不斷存入視頻流數(shù)據(jù)，到達(dá)末端后便回到起點(diǎn)繼續(xù)寫入；解碼線程控制存儲(chǔ)器的讀取指針以追趕的方式不斷取出數(shù)據(jù)，使存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)量始終保持在一定長(zhǎng)度之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。

解碼線程同樣采用循環(huán)方式不斷獲取視頻流緩存中的數(shù)據(jù)量。當(dāng)數(shù)據(jù)量大于設(shè)定的閾值N（如1 024 Bytes）時(shí)，則提取N個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)移交至解碼器處理。解碼器調(diào)用FFmpeg 程序庫對(duì)H.264 或H.265 碼流解碼，并轉(zhuǎn)換為RGB 格式圖像存入圖像緩存。

3 動(dòng)態(tài)圖像緩存與顯示

在H.264 或H.265 碼流中，大部分幀都是只包含幀差信息的參考幀（P 幀和B 幀），數(shù)據(jù)量較小。每隔固定時(shí)間（如1 s）會(huì)有一個(gè)關(guān)鍵幀I 幀，包含完整的圖像信息，數(shù)據(jù)量大，使得傳輸和解碼都較為耗時(shí)。因此，解碼得到各幀圖像的時(shí)間間隔是不均勻的。若不加處理地將每一幀解碼圖像立即顯示，則會(huì)每隔一段時(shí)間出現(xiàn)一次卡頓現(xiàn)象，影響視頻顯示的連貫性和平穩(wěn)性。

為解決這一問題，本文引入了圖像緩存。圖像緩存的總體思路是將解碼圖像依次存入緩存，由顯示線程定時(shí)提取圖像進(jìn)行顯示，使顯示的周期與解碼的周期隔離開來并保持均勻。圖像緩存采用隊(duì)列形式，以先入先出原則進(jìn)行存取。采用圖像緩存需要解決的一個(gè)重要問題是保證輸入輸出的平衡。雖然根據(jù)相機(jī)的幀率可以計(jì)算各幀的平均間隔，但并不十分精確。此外，為定時(shí)器設(shè)定的響應(yīng)周期也無法做到與真實(shí)的幀間隔完全一致，會(huì)導(dǎo)致輸入輸出的不平衡。若輸出快于輸入，則會(huì)耗盡緩存內(nèi)的圖像，存入一幀則立即顯示一幀，導(dǎo)致緩存失去作用，視頻依然發(fā)生卡頓；若輸出慢于輸入，則緩存數(shù)量不斷增加，若不加限制會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存溢出，程序崩潰，若設(shè)置限幅則會(huì)丟失圖像。

本文采用動(dòng)態(tài)圖像緩存的方法實(shí)現(xiàn)輸入輸出的平衡，流程如圖2 所示。每隔一段時(shí)間判斷一次緩存內(nèi)的圖像數(shù)量，若數(shù)量較多，則減小定時(shí)器的間隔，加快顯示；若數(shù)量較少，則增大定時(shí)器的間隔，減慢顯示；若數(shù)量適中，則保持初始間隔。以30 f/s的可見光視頻為例，設(shè)初始顯示間隔T=33 ms。每解碼30 幀判斷一次緩存數(shù)量N，若N＞5，則令T=30 ms，加速顯示，消耗緩存數(shù)量，減小視頻滯后；若N＜3，則令T=34 ms，稍稍減慢顯示，積累緩存數(shù)量，避免出現(xiàn)卡頓；若3 ≤N≤5，則令T=33 ms，保持穩(wěn)定顯示。

經(jīng)過對(duì)提取頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以使圖像緩存長(zhǎng)期維持在數(shù)量較少的狀態(tài)，保持輸入與輸出的平衡和穩(wěn)定。

4 測(cè)試驗(yàn)證

測(cè)試所用的光電吊艙顯控軟件采用C++語言和Qt 框架編寫，實(shí)現(xiàn)了本文所述的多線程架構(gòu)和動(dòng)態(tài)圖像緩存技術(shù)。在解碼線程和顯示線程中分別記錄每幀圖像解碼和顯示的時(shí)間戳，計(jì)算解碼時(shí)間間隔和經(jīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整后的顯示時(shí)間間隔，最后繪制如圖3 所示的曲線圖。

從圖3 可知，解碼間隔極不穩(wěn)定，約30 幀（大概1 s）會(huì)出現(xiàn)一次120 ms 以上的長(zhǎng)間隔，即處理I幀所需的時(shí)間。而經(jīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整后，顯示間隔平穩(wěn)程度顯著提高，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)穩(wěn)定在33 ms 左右，其中一小段在30 ms 左右，這是緩存數(shù)量較多、加快顯示的結(jié)果。這一結(jié)果表明，采用動(dòng)態(tài)圖像緩存技術(shù)可以有效提高視頻顯示的平穩(wěn)性，避免出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

圖2 動(dòng)態(tài)圖像緩存流程

圖3 幀間隔統(tǒng)計(jì)

此外，合理的多線程架構(gòu)設(shè)計(jì)也使顯控軟件具有較好的實(shí)時(shí)性。本文用簡(jiǎn)易方法測(cè)試了從相機(jī)成像到視頻編碼、傳輸再到接收、解碼及顯示全過程的總延遲時(shí)間約為0.4 s，如圖4 所示。在這一較低的延遲下，控制光電吊艙和觀察視頻時(shí)基本不會(huì)產(chǎn)生明顯的滯后現(xiàn)象。

圖4 延遲時(shí)間測(cè)試

5 結(jié) 語

本文介紹了一種針對(duì)機(jī)載光電吊艙的視頻流實(shí)時(shí)解碼技術(shù)，通過設(shè)計(jì)合理的多線程架構(gòu)和數(shù)據(jù)交換方式，采用動(dòng)態(tài)圖像緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低延遲和無卡頓的視頻解碼顯示效果，對(duì)于充分發(fā)揮光電吊艙的性能和提高地面顯控軟件的運(yùn)行效率與使用體驗(yàn)具有重要意義。