AM335x平臺(tái)在全彩LED顯示墻異步控制卡的應(yīng)用

摘要

全彩LED顯示墻異步控制卡以成本低，集中管理等特點(diǎn)，逐漸成為全彩LED顯示墻控制卡的主流。AM335x具有豐富的硬件外設(shè)，基于Linux的軟件方案，包含GPU Composition模塊能提供完整的多圖層疊加縮放等功能，十分適合全彩LED顯示墻的異步控制卡應(yīng)用。本文將從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹基于AM335x提供的相應(yīng)解決方案。

1 全彩LED顯示墻控制卡簡(jiǎn)介

全彩LED顯示顯控制卡根據(jù)控制方式，可以分顯兩大顯：同步控制卡和異步控制卡。

1.1 同步控制卡

全彩LED同步顯示墻主要由PC，同步控制卡和LED顯示模塊組三部分組成，其連接方式如下：

圖1 同步控制模塊圖

同步控制卡將DVI信號(hào)轉(zhuǎn)成LED顯示模組所需要的視頻信號(hào)格式，而且用以太網(wǎng)的方式傳輸給LED顯示模組。同步控制卡本身不做視頻解碼等處理，僅做格式轉(zhuǎn)換。因此，一般采用FPGA實(shí)現(xiàn)該功能。

1.2 異步控制卡

全彩LED異步顯示墻由異步控制卡和LED顯示模組組成，其連接方式如下：

圖2 異步控制卡模塊圖

由上圖，異步控制卡主要由兩個(gè)大的部分組成：

• 視頻處理模塊。

在此模塊中，SOC從網(wǎng)口得到視頻流以及UI的素材，進(jìn)行視頻解碼和UI 繪制，最后通過(guò)LCD接口傳送給 FPGA。

• 視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊。

在此模塊中，F(xiàn)PGA將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成LED顯示模組所需的信號(hào)，并通過(guò)網(wǎng)口輸出，該功能和同步控制卡的 功能一樣。

對(duì)比兩種方案，可見(jiàn)異步控制卡具體有成本低，便于集中管理的特點(diǎn)。

2 異步控制卡系統(tǒng)分析

下面從硬件和軟件兩個(gè)方面分析其主芯片的系統(tǒng)需求。

2.1 硬件部分

從硬件上看，視頻處理模塊部分主要由最小系統(tǒng)和外圍模塊兩大部分組成。

• 最小系統(tǒng)

1. 最小系統(tǒng)由主芯片，電源系統(tǒng)，DDR和存儲(chǔ)四部分組成。
2. 不同級(jí)別的全彩屏對(duì)SOC的處理能力有不同要求，具體的要求在軟件部分有說(shuō)明。

• 外圍模塊

1. 音頻接口，LCD接口。即LED顯示墻的基本需求。
2. 網(wǎng)絡(luò)接口。百兆甚至千兆網(wǎng)口可以有效保證顯示內(nèi)容更新的高效性。
3. USB接口。便于系統(tǒng)升級(jí)，以及擴(kuò)展基于USB各種外設(shè)。
4. SD卡/TF卡支持。便于系統(tǒng)升級(jí)以及內(nèi)容的本地更新。

此外，異步卡一般和LED顯示墻一起放置于室外，所以需要可工作在寬溫度范圍的工業(yè)級(jí)芯片。

2.2 軟件部分

軟件部分主要由操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩大部分組成。

2.2.1 操作系統(tǒng)

在異步控制卡行業(yè)中，主流系統(tǒng)選擇了Linux。

2.2.2應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件主要包含三個(gè)部分：

• ?多媒體部分。

用于對(duì)音視頻碼流的解碼。

全彩屏主要分為高端和中低端兩個(gè)檔次：

1. 高端，視頻分辨率以及顯示分辨率要求在720p分辨率以上。
2. 中低端，視頻分辨率以及顯示分辨率在640x480以內(nèi)。

由于LED墻一般顯示物理面積大，而且亮度高，所以對(duì)視頻流的幀率要求較高，要求在每秒25幀以上。因此，對(duì)于高端產(chǎn)品，一般需帶有視頻硬解碼模塊的主芯片，其價(jià)格一般較高；對(duì)于低端產(chǎn)品，使用軟解碼可實(shí)現(xiàn)，所以需要運(yùn)算性能較強(qiáng)的主芯片，成本優(yōu)勢(shì)較好。

• UI 部分。

用于顯示字幕，圖片等，并處理UI 元素和視頻層的疊加。疊加部分。由于涉及到透明度，尺寸變換等，運(yùn) 算需求也很大，所以需要主芯片具有相關(guān)的硬件加速模塊。

• 遠(yuǎn)程控制部分。

該部分主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)各控制卡的遠(yuǎn)程控制，內(nèi)容更新等功能。該部分一般通過(guò)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，各控 制廠家有自己的協(xié)議。

3 AM335x的解決方案

AM335x是TI新近推出的基于ARM Cortex-A8 的SOC，外設(shè)豐富，主要針對(duì)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。針對(duì)異步控制卡應(yīng)用，TI也提供了基于Linux的解決方案。下面將從硬件和軟件兩方面分別介紹該方案。

3.1 硬件方案

AM335x具有一個(gè)強(qiáng)勁的核心Cortex-A8，該核的運(yùn)算能力可達(dá)2.0DMIPS/MHz, 而且AM335x的主頻可到1GHz，即運(yùn)算總的能力可達(dá)2000DMIPS，可流暢解碼640x480的MPEG4視頻流，而且有足夠的運(yùn)算余量繪制各種UI。

此外，AM335x還有一個(gè)3D圖形加速核，SGX530，可支持OpenGL ES2.0。TI 在OpenGL ES2.0之上提供了相應(yīng)的軟件方案，將SGX530用于視頻幀的尺寸縮放以及實(shí)現(xiàn)對(duì)UI 層和視頻層的透明疊加的加速，后面軟件部分會(huì)詳細(xì)介紹該方案。

同時(shí)，AM335x具有豐富的外設(shè)，如下圖所示：

圖3 AM335x異步控制卡硬件模塊圖

由上圖可見(jiàn)AM335x可完全涵蓋所有異步控制卡的外設(shè)需求，不需要其他擴(kuò)展。因此，總體成本具有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

TI的開發(fā)板GP EVM（可查閱參考文檔[1]）都可以很便利的進(jìn)行LED應(yīng)用的評(píng)估和開發(fā)，下文中的軟件方案是以GP EVM為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的。

3.2 軟件方案

軟件方案主要分為操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩大塊，具體介紹如下。

3.2.1 操作系統(tǒng)

如前所述，Linux是異步控制卡的主流操作系統(tǒng)，因此，本方案也選擇了Linux作為平臺(tái)。AM335x EZSDK提供了Linux的完整開發(fā)包，包括板級(jí)支持包，交叉編譯器，文件系統(tǒng)等，可查閱參考文檔[2]。

3.2.2 軟件模塊

• UI

在基于Linux的異步控制卡平臺(tái)上，QT以免費(fèi)，開源，開發(fā)資料全以及在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行效率高等特 點(diǎn)，已經(jīng)成為異步控制卡廠商開發(fā)UI主要的平臺(tái)。在EZSDK中已包含對(duì)QT4的移植，可查閱參考文檔[3]。 QT在開源網(wǎng)站上也有很豐富的資源，可查閱參考文檔[4]。

• 多媒體

在EZSDK中提供Gstreamer+ffmpeg的多媒體解決方案，可查閱參考文檔[5]和參考Gstreamer文檔（參考文檔 [6])。在多媒體中，由于格式比較多，各種編碼的復(fù)雜度以及編碼質(zhì)量差異較大是一個(gè)難點(diǎn)。而在LED顯示 墻的應(yīng)用場(chǎng)景中，多媒體碼流可接受轉(zhuǎn)碼方式，所以可指定碼流的格式。這里，推薦的多媒體格式 MP4（MPEG4+AAC），其中MPEG4選擇simple profile，對(duì)此種碼流，若分辨率為640x480，AM335x可流暢解 碼每秒25幀以上。

• 顯示后端

AM335x只有一個(gè)功能簡(jiǎn)單的LCD控制器，該控制器只支持RGB格式，其在Linux中的驅(qū)動(dòng)為framebuffer，可 查閱參考文檔[7] 。相應(yīng)的上述兩個(gè)模塊的顯示后端也以framebuffer為基礎(chǔ)：

1. Gstreamer的后端顯示插件采用fbdevsink。由于視頻解碼后的格式為YUV格式，而AM335x自帶的LCD控制器只支持RGB格式，因此此處可使用Gstreamer的插件ffmpegcolourspace進(jìn)行色度空間的轉(zhuǎn)換
2. QT 默認(rèn)以framebuffer為顯示后端。

Framebuffer會(huì)接收來(lái)自QT和Gstreamer的圖像幀數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行OSD的疊加和縮放等操作，數(shù)據(jù)流如下圖所示：

圖4 默認(rèn)軟件方案數(shù)據(jù)流程圖

3.2.3軟件復(fù)雜度分析

在圖4中，深色模塊為運(yùn)算較密集模塊，具體分析如下：

• Gstreamer的解碼和ffmpegcolourspace（CSC plugin）兩個(gè)模塊。ARM雖然有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，但對(duì)于較大分辨率的視頻解碼，視頻解碼的宏塊運(yùn)算等需較大運(yùn)算量。另外，色度空間涉及浮點(diǎn)運(yùn)算，而且為逐點(diǎn)運(yùn)算，所以運(yùn)算量需求也不小。以640x480分辨率的MP4(MPEG4 simple profile+AAC)為例，若幀率為30fps時(shí)，ARM核的loading在91%左右，其中ffmpegcolourspace模塊約占運(yùn)算量的50%。
• Framebuffer模塊。在該模塊中的OSD疊加指的是UI圖層和視頻圖層之間的疊加，而且是包含帶透明度的疊加，而圖層的縮放是指對(duì)原圖等比例的縮放，因而需對(duì)每一幀數(shù)據(jù)的每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行浮點(diǎn)乘加運(yùn)算，參考ffmpegcolourspace的運(yùn)算量，該部分運(yùn)算量也應(yīng)較大?？梢?jiàn)，ARM核無(wú)法獨(dú)自勝任系統(tǒng)所需的全部運(yùn)算。

3.2.4 基于GPU的優(yōu)化方案–GPU Composition

GPU Composition軟件模塊，調(diào)用SGX530模塊進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換，OSD疊加，圖層縮放功能，分擔(dān)A8的運(yùn)算負(fù)載使其專注于QT，視頻解碼等應(yīng)用，下面將具體介紹。

• GPU Composition模塊的編譯和安裝。在TI Wiki上有明確說(shuō)明，可查閱參考文檔[8]。
• GPU Composition設(shè)計(jì)分析

A.各功能模塊

圖5 GPU Composition軟件模塊圖

SGX530實(shí)現(xiàn)的功能模塊標(biāo)記為深色，具體功能如下：

a. gpuvsink該模塊設(shè)計(jì)為Gstreamer視頻顯示后端插件，將視頻解碼器解出的YUV 數(shù)據(jù)幀，傳送給SGX530模塊。按照標(biāo)準(zhǔn)的Gstreamer視頻顯示后端插件設(shè)計(jì)，可采用標(biāo)準(zhǔn)的顯示后端接口編程。對(duì)于視頻輸入的尺寸，要求其寬（width）為4個(gè)像素點(diǎn)的倍數(shù)。其輸出視頻幀數(shù)據(jù)這里可稱為Video Plane。

b. linuxfbofs該模塊設(shè)計(jì)為QT架構(gòu)中的顯示后端，將QT的幀數(shù)據(jù)發(fā)送到SGX530模塊中處理。linuxfbofs和framebuffer有同樣的接口，對(duì)于QT應(yīng)用開發(fā)是透明的。其輸出界面幀數(shù)據(jù)為Graphics Plane。

GPU Composition

該模塊基于Open GL ES 2.0接口設(shè)計(jì)，對(duì)輸入的Video plane和Graphics Plane進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換，圖層縮放，OSD疊加等操作，將最終的幀數(shù)據(jù)推送到Framebuffer中顯示。

B. 模塊間的數(shù)據(jù)流

模塊間的數(shù)據(jù)以Plane的形式傳遞，具體介紹如下：

a. Plane格式

• Video Plane可支持YUV422，NV12，I420和YUV420 格式幀數(shù)據(jù)。
• Graphics Plane可支持RGB565，RGB888和ARGB8888幀數(shù)據(jù)。
• GPU Composition接收這些格式的幀數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為RGB格式，進(jìn)行圖層縮放，OSD疊加等操作。

b. Plane的內(nèi)存分配

SGX530輸入內(nèi)存（Buffer），只支持物理地址連續(xù)的Buffer。因此，在gpuvsink和linuxfbofs中，使用cmem（具體可查閱參考文檔[9]）據(jù)此要求分配內(nèi)存Pool來(lái)存儲(chǔ)幀數(shù)據(jù)，需在Linux啟動(dòng)時(shí)通過(guò)命令行參數(shù) ”mem=”配置預(yù)留給Kernel的內(nèi)存，而剩下的內(nèi)存即是給cmem所準(zhǔn)備，用于分配物理連續(xù)的內(nèi)存。

其大小的計(jì)算公式如下：

Pool size for Graphics Plane = width * height * Bytes Per Pixel

Pool size for Video Plane = video frame width * height * 2 (Bytes Per Pixel) * 8 (buffers)

對(duì)于一個(gè)Video Plane可能需要多個(gè)Buffer，其具體個(gè)數(shù)定義在

gpu-compositing/gpuvsink/src/gst_render_bridge.

#define PROP_DEF_QUEUE_SIZE 8

c. Pool傳遞

Graphics Plane和Video Plane以指針的形式將Pool傳遞給GPU Composition。

C. 模塊間的控制流

a. 配置信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

對(duì)于Graphics Plane，通過(guò)命名管道“/opt/gpu-

compositing/named_pipes/video_cfg_and_data_plane_X”其配置信息在下面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中

關(guān)于此配置信息中，比較重要的有如下幾點(diǎn)：

• 對(duì)于QT而言，對(duì)入的對(duì)對(duì)參數(shù)來(lái)自Linux的FB對(duì)對(duì)，即對(duì)LCD屏的對(duì)示分辨率。
• 關(guān)于透明度（Alpha），Video plane在底部，因此，Graphics Plane決定Video Plane的可對(duì)度。Alpha 可分對(duì)：全局Alpha，整個(gè)Plane使用同一的一個(gè)Alpha對(duì)；以像素點(diǎn)（Pixel）對(duì)對(duì)位的Alpha, 即像素的數(shù)據(jù)格式對(duì)ARGB8888，可以在局部對(duì)置Alpha。
• 可以通對(duì)對(duì)置對(duì)出的對(duì)構(gòu)體out_g對(duì)對(duì)對(duì)出Plane的對(duì)放。

對(duì)于Video Plane, 配置信息如下：

此配置結(jié)構(gòu)體中的輸入信息，會(huì)通過(guò)Gstreamer的標(biāo)準(zhǔn)接口，通過(guò)前級(jí)的Gstreamer Plugin進(jìn)行配置。如前所述，輸入視頻幀的寬（width）的像素點(diǎn)數(shù)，需為4的倍數(shù)；對(duì)于輸出信息，和Graphics Plane一樣，可以通過(guò)配置輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)out，實(shí)現(xiàn)縮放功能。

b. 命名管道（named pipe）配置信息

上述配置信息，通過(guò)存放于文件系統(tǒng)中的命名管道，傳遞到GPU Composition模塊。對(duì)于linuxfbofs，命名管道文件為/opt/gpu-compositing/named_pipes/gfx_cfg_plane_X。對(duì)于gpuvsink，命名管道文件為/opt/gpu-compositing/named_pipes/video_cfg_and_data_plane_X。

4 方案實(shí)驗(yàn)

筆者基于GPU Composition方案，在AM335x EVM板上，開發(fā)了Gstreamer和QT應(yīng)用程序，以驗(yàn)證整個(gè)異步LED顯示墻方案的性能。

4.1 代碼及編譯

代碼分成兩個(gè)應(yīng)用：

• Gstreamer部分，可在參考文檔[10]下載，為一個(gè)視頻播放器，可循環(huán)播放MP4視頻
• QT部分，可以在參考文檔[11]下載，包括一個(gè)時(shí)鐘和滾動(dòng)字幕。

可以根據(jù)參考文檔[8]進(jìn)行編譯。

4.2 代碼運(yùn)行

在AM335x EVM(AM3358 主頻為720MHz)上，運(yùn)行命令行如下：

這里播放的視頻流為mp4格式，其包含有分辨率為640x480的MPEG4 simple profile碼流以及AAC音頻流。
運(yùn)行效果圖如下：

圖6 示例運(yùn)行效果圖

可以從截圖中看到，OSD層和視頻層的透明度疊加很清楚。

4.3 性能分析

關(guān)于GPU Composition方案的性能提高，可以參考下面兩個(gè)截圖。

圖7中，沒(méi)有使用GPU Composition方案，CPU除了要做解碼，也需要做色彩空間轉(zhuǎn)換，其CPU占用率達(dá)到91%。

圖8中，使用了GPU分擔(dān)了視頻疊加，色彩空間轉(zhuǎn)換等運(yùn)算，在整個(gè)系統(tǒng)的總運(yùn)算量明顯大于僅僅Gstreamer播放視頻的情況下，ARM核的CPU占用率僅僅只有58%，仍給應(yīng)用程序留下運(yùn)行的空間。更多的示例可查閱參考文獻(xiàn)[8]。

圖7 單Cortex-A8軟解視頻流的系統(tǒng)負(fù)載

圖8 GPU Composition方案視頻播放的系統(tǒng)負(fù)載

5 總結(jié)

本文主要介紹了基于AM335x的全彩LED顯示墻異步控制卡方案，重點(diǎn)介紹了基于GPU 的軟件解決方案，在實(shí)現(xiàn)LED顯示墻所需的視頻層和OSD層疊加，縮放等功能的基礎(chǔ)上，仍給客戶定制的應(yīng)用程序提供了足夠的開發(fā)空間。希望該方案能加速客戶進(jìn)行異步控制卡的開發(fā)。