面向5G网络的分布式超高清视频处理系统

周泽强

（威创集团股份有限公司，广东 广州 510670）

0 引 言

5G技术、大数据、物联网、人工智能以及超高清视频技术相结合的新一轮数字化革命将会推动政府和各行业信息化的高速发展，与“建设数字中国”的国家战略构想一脉相承。5G在超高网速、超低时延、超大链接的推动下，结合人工智能深入行业应用，构建5G和超高清视频技术的融合，将给各行各业带来信息化提升和广泛应用，在应急指挥、虚拟现实/增强现实、工厂自动化、超高清直播等应用方面能够满足业务场景更加苛刻的要求。5G和超高清的融合将会为“建设数字中国”国家战略的实施提供坚实的平台基础[1]。

为解决高并发图像处理带宽要求，可以采用多机分布式协同架构来进行性能扩展。目前的分布式处理架构主要基于以光纤网络为物理介质的通信传输媒介，有线传输的局限性目前已经严重制约了移动视频的发展，如在移动指挥车上的超高清视频无法高效、高质量、实时地回传到指挥中心的大屏显示墙上。因此，迫切需要超高清视频与5G技术的深度融合，需要探索一种适合超高分辨率大屏显示系统的视频实时处理架构[2-3]。

本文研究超高清视频与5G融合应用中的多项核心关键技术，解决多并发超高清视频流的实时处理、传输与显示方面的技术难题，构建面向5G网络的分布式超高清处理系统，推动超高清视频技术与5G的融合发展。

1 基于5G网络的分布式系统架构

总线式架构对于计算机桌面超高清图像应用具有优势，但在海量实时信号源并发工作时依然存在瓶颈，影响到系统整体性能的发挥。分布式并行处理架构采用压缩编码技术和多节点并行处理技术，可在一定程度上缓解总线式架构的带宽交换瓶颈，但需克服自身系统的网络时延问题以及由此引起的同步问题。因此，为获取海量信号接入时获得超高清图像处理的实时性以及显示的同步性，需对当前处理架构加以改进，才能满足更严格条件下的指挥监控场景的业务应用[4-5]。

尽管国内三大运营商已在大部分城市部署了5G宏站，但仍普遍存在室内5G信号差、室内覆盖盲点及并发速率低等痛点，满足不了室内4K/8K超高清5G传输质量要求。本文采用的室内5G微基站+室内5G小基站的宏微异构协同混合组网方案，将突破基于5G无线通信网络的超高清视频处理的系统架构方面的关键技术问题，在满足室内4K/8K超高清、大带宽、低时延的网络质量要求的同时，也无缝衔接了室外移动5G宏站[6]。系统架构如图1所示。

2 关键技术

整个系统的关键技术包括超高清视频开展编解码算法优化和超高清视频5G网络传输大带宽、低时延的QoS质量保障两部分。

2.1 超高清视频开展编解码算法优化

随着电子消费设备的不断普及，4K/8K等超高清视频应用得到进一步发展，对数字视频压缩的性能提出了进一步的要求，因此迫切需要基于最新的视频编解码标准进行超高清视频编解码算法优化。当前典型的视频编解码传输系统由采集、编码、传输、解码及显示5个部分构成[7]。

图像质量与压缩编解码的压缩率相关。超高清拼接显示墙系统的超高清视频图像来源大致有两种，一种是以运动视频为主的监控摄像头视频、影像视频，另一种是以计算机桌面为主的超高清信号源。计算机桌面的画面往往是以静态图表、静态文字为主的视频画面，不同于运动视频。运动画面损伤对图像质量影响非常大，因此还需解决编码引擎动态适应视频源的技术问题[8]。

2.2 超高清视频5G网络传输大带宽、低时延的QoS质量保障

4K/8K超高清视频对5G无线网络在带宽容量和传输稳定性等方面有严格要求。在无线网络环境复杂多变及多用户同时在线情况下，如何保障超高清视频要求的大带宽、低时延的业务要求，是5G超高清视频系统必须解决的关键问题。

在4K/8K超高清视频传输过程中，往往会因为空口环境干扰、多用户并发等因素导致网络质量差、资源紧张等问题出现。传统超高清编解码算法是在接收端静态检测网络质量，存在检测周期长、控制响应慢等问题。通过基于5G网络能力开放平台实时监测到的5G网络无线信道质量、小区负荷及吞吐量等信息，对编解码算法进行快速闭环动态调整算法，可以使超高清编解码算法更快速、更精准地控制传输效率。

3 系统设计

3.1 基于内容感知并行切片的像素管道编解码技术

针对目前编解码传输系统延时问题，提出一种基于内容感知并行切片的像素管道编解码技术以及拉流的交互处理方法，实现4K/8K超高清编解码的超低延时传输。通过图像内容感知、图像色彩分布及内容前后帧判断，将4K/8K视频帧数据进行并行切片，分解为多个视频片，基于视频片进行 编解码[9]。

3.1.1 帧序列化过程

4K/8K信号源输出的图像基于行扫描，图像采集组件采集到预设置的N行即送给编码组件进行编码。通过图像内容感知、图像色彩分布及内容前后帧，判断画面是以运动视频为主的监控摄像头视频、影像视频还是以计算机桌面为主的超高清信号源，即以静态图表、静态文字为主的视频画面，确定是否去掉了缓存一帧图像的环节，减少了帧缓存引入的延时，尽快将图像送给编码组件进行编码。

3.1.2 编码过程

编码组件用于图像片的编码，假定N行为一个片，一帧4K的图像可序列化为2 160/N个图像片。由于编码过程需耗费时间，为了实现快速编码，引入多个编码引擎并行计算机制，多个图像片被均衡地送到多个编码引擎，产生相应的编码帧序列，如图2所示。

图2 并行切片化编码过程

3.1.3 解码过程

当编码组件生成对应的序列化的编码数据后，经网络传输，送到解码组件。典型的推流传输是发送端主动向接收端传输数据，因发送端与接收端是异步处理的，当接收端处理不过来的时候，发送端会缓存一段时间再继续尝试发送，缓存的过程即引入了延时。反过来，当接收端处理较快时，发送端由于数据未准备好，接收端处于空闲状态。因此，引入一种拉流的传输机制，接收端以固定的时钟节拍处理，定时向发送端发送心跳包，使得发送端、接收端保持同步处理，实现零缓存传输。解码组件用于对编码数据进行解码，恢复原来的图像数据。在此过程中，一个图像帧序列化为多个图像片，为了实现快速解码，引入多个解码引擎并行计算，多个编码数据均衡地被送到多个解码引擎，如 图3所示。

图3 并行切片化解码过程

3.2 双流传输自适应和双流编解码技术

为动态适应不同类型的视频源信号，提出双流传输自适应技术、双流编解码技术。其中，一个编码引擎（引擎A）实现H.265/HEVC编码，另一个编码引擎（引擎B）实现基于管道像素编码。编码引擎A实现的H.265/HEVC编码信号经过传输后，用作管控端的信号预览；编码引擎B实现基于管道的像素编码，经过传输后，用作管控端对4K/8K信号源进行远程操作。渲染过程用于将图像片组装完成的图像帧再输出到显示设备。进行这样的处理过程，主要是考虑到如果基于图像片直接输出到显示设备，由于传输抖动，可能会带来图像显示撕裂。

3.3 基于5G无线链路感知的新型超高清编解码自适应调整算法

针对4K超高清视频传输过程中往往会因为空口环境干扰、多用户并发等因素造成网络质量差、资源紧张等问题，提出基于5G无线链路感知的新型超高清编解码自适应调整算法。具体判断实现方式如下。

5G网络提供的无线网络信息能力开放服务能够提供如无线信道质量、小区负荷及吞吐量等能力开放信息，结合AI人工智能分析技术，可以实现业务QoS从用户级→流级→报文级的更细粒度保障，提供位置感知、链路质量预测等新的网络能力。5G网络能力开放平台实现的功能主要包括5G无线能力开放服务和5G能力开放API网关。

（1）5G无线能力开放服务。支持无线承载信道质量测量事件、承载建立/删除/修改事件，小区改变事件；支持提供超高清显示系统发布订阅对应的无线能力事件，支持取消对应的订阅。

（2）5G能力开放API网关。5G能力开放API网关对服务调用者进行认证和鉴权，支持对API调用次数进行统计。

超高清显示系统与5G网络能力开放平台的交互架构如图4所示。

图4 超高清显示系统与5G网络能力开放平台的交互架构

超高清显示系统与5G网络能力开放平台的交互流程主要包括4个步骤。

（1）5G基站的无线资源管理模块将周期性采集的无线信道质量、小区负荷及吞吐量等信息通过OAM操作维护管理模块上报给5G网络能力开放 平台。

（2）5G网络能力开放平台将5G基站上报的无线能力信息存储到数据库，通过能力开放API网关对外提供调用接口。

（3）4K/8K超高清编解码算法模块向5G网络能力开放平台订阅无线能力开放服务，能力开放API网关按订阅信息上报无线能力信息给4K/8K超高清编解码算法模块。

（4）4K/8K超高清编解码算法模块，结合5G网络能力开放平台所反馈的网络状态信息来决策自适应调整。

4 结 语

目前，国内外尚没有5G无线通信和多路超高清并发处理的4K/8K超高清新型显示应用体验平台。本文通过构建面向5G无线通信网络应用的4K/8K超高清显示系统处理架构，针对多路并发超高清视频的超低延时、同步性等要求，采用多层级、分布式处理节点进行多视频业务流并行处理、高速串行化调度及图像级联扩展架构来实现多屏间显示同步及实时显示。基于5G网络能力开放平台，根据实时监测到的5G网络无线信道质量、小区负荷及吞吐量等信息，实现编解码算法动态调整优化，提高视频业务感知。

5G+4K超高清视频技术应用能够极大程度地提升视频领域的响应能力和分析能力，5G能够有效解决网络传输速度、清晰度、实时性的传输过程短板，4K/8K能够实现极致的呈现体验，两者结合，必将带来视频相关领域如安防监控等的升级和重大变革。