Tony O’Sullivan GE Intelligent Platforms
בשנים האחרונות אנו עדים בתעשיית החלל והתעופה, ובמיוחד בשוק הצבאי, לשגשוג של כלי רכב לא מאוישים במגוון יישומי קצה, במיוחד בפריסות אוויריות. המוצרים הזמינים כוללים הכול, מטיסות למרחקים ארוכים למשך שלושים שעות בגבהים, ועד לכלי רכב טקטייים המשוגרים מהכתף לטווחים אולטרה-קצרים. כפי שניתן לצפות, הדרישות מהמטען (payload) של הכלים הללו הולכות וגדלות, לרבות הדרישות ליכולת מחשוב גבוהה יותר, הקשחה, צריכת הספק יותר ויותר קטנה, גמישות, והגבלה על הממדים הפיסיים.
הדרישות הללו נוטות לסתור זו את זו, מה שהופך את הפתרון ליותר ויותר מסובך. התוצאה היא הצורך בגישות חדשניות שיאפשרו לנו ליישב את הדרישות הסותרות הקיימות בשוק זה.
באיור 1 מוצג תרחיש אופייני.
תחום מאתגר ספציפי עבור הכלים הלא מאוישים הוא הוידאו. טייסי מל”טים מסוימים השוו את השליטה בכלי רכב לא מאויש ל”הטסת מטוס תוך כדי התבוננות דרך קשית”. העלייה בדרישה למודעות ראייתית גבוהה יותר של הכלי, ולשיפור הוידאו למטרות מעקב מגדילה מאוד את העול המוטל על התכונות של לכידת וידאו ושל אלקטרוניקת הזרמת הנתונים על כלי הטיס.
מערכות חדשות מוסיפות יותר מקורות וידאו ומשפרות את הרזולוציה של התמונה מאיכות נמוכה לאיכות HD בקצבי מסגרות הולכים וגדלים. התוצאה היא כמות של עד פי 12 נתונים לזרם וידאו. וכדי להפוך את העניינים למסובכים עוד יותר, קישורי התקשורת אל כלי הטיס הלא מאויש וממנו מוגבלים בדרך כלל ברוחב הפס שלהם, לכן יש צורך בדחיסת נתונים לא מבוטלת כדי שהמפעיל יוכל לראות ולו מקור וידאו אחד במרכז הבקרה.
הצורך לעמוד בדרישות עיבוד הוידאו ההולכות וגדלות, ובמקביל להמשיך לעמוד בדרישות הגודל, המשקל וההספק, הוא מפרך. עם זאת, GE Intelligent Platforms לקחה על עצמה בדיוק את המשימה הזו – לתכנן מוצר שיעמוד בכל הדרישות הללו להזרמת וידאו בסביבת כלי טיס לא מאויש מוקשח.
מאמר זה מתאר כמה מהשיקולים המרכזיים שבחנה החברה במהלך הפיתוח של כרטיס ה-XMC המוקשח להזרמת וידאו, דגם ICS-8580, תוך התמקדות מיוחדת בבחירת ה-codec של הוידאו – אחת ההחלטות הקריטיות בכל יישום הזרמת וידאו. במאמר נציג ניתוח של שני ה-codecs השכיחים ביותר – JPEG2000 ו-H.264 (MPEG-4 part 10) כדי לקבוע איזה מהם מתאים ביותר לפתרון הבעיה.
בנוסף יבחן המאמר כמה תחומים נוספים שצריך לקחת בחשבון כאשר בוחנים את טכנולוגית דחיסת הוידאו המתאימה ביותר ליישום של כלי רכב לא מאויש, כמו למשל מדרגיות, הספק נמוך, טביעת רגל קטנה, השהיית תפוקה נמוכה, תמיכה בסטנדרט קלט גמיש, והגדרות ה-codec לדחיסה רבגוניות.
JPEG2000 או ITU-T H.264?
זוהי ההחלטה הראשונה, וכנראה החשובה ביותר שצריך לקבל כשבוחרים ציוד הזרמת וידאו. גם ל-JPEG2000 וגם ל-H.264 יש יתרונות וחסרונות ברורים. המפתח הוא לזהות, עבור כל יישום נתון, איזה מערך של יתרונות נחוץ לנו, או אפילו הכרחי לנו, ומצד שני לאילו חסרונות תהיה הכי פחות השפעה מזיקה. להלן כמה תיאורים מפורטים של כל codec, על יתרונותיו ועל מגבלותיו.
JPEG2000 – דחיסה ללא אובדן נתונים
JPEG2000 הוא תקן שפותח במקור על-ידי קבוצת Joint Photographic Experts עבור צילומי סטילס. המקבילה של JPEG2000 בתחום הוידאו הוא ה-MJPEG2000 שהוא פשוט רצף של תמונות “סטטיות” דחוסות. כלומר, כל מסגרת ומסגרת נשארת שלמה לגמרי בזמן השידור וניתן לבצע לה פענוח במבודד משאר המסגרות.
כיוון שה-JPEG2000 פותח עבור תמונות סטילס, קריטריוני התכנון והקדימויות הותאמו לסביבה של סטילס ולא לסביבה של וידאו. הקדימויות הללו כללו את היכולת לתמוך בדחיסה ללא אובדן נתונים (נדרש עבור תמונות קריטיות כדוגמת אלו של רשומות רפואיות), ותמיכה מובנית עבור גרסה של המקור ברזולוציה נמוכה ללא צורך בביצוע של עיבוד נוסף לתמונה (נדרש עבור תמונות ממוזערות וסריקות מהירות של תמונות על דיסק). ה-JPEG2000 משתמש בשידור בהתמרת wavelets (גלונים) שיש לה גם גרסה הפיכה, מה שהופך אותה לדחיסה אמיתית ללא אובדן נתונים מבחינה מתמטית. בנוסף יש להתמרה גם גרסה שבה ייתכן אובדן נתונים.
הגרסה ללא אובדן נתונים מובילה ליחסי דחיסה המגיעים עד 3:1. אות HDTV יחיד, 30 מסגרות לשנייה (1920×1080 פיקסלים) בגישה זו יוביל לקצבי נתונים של 316Mbps לערך. בהתחשב בנתונים הללו, דחיסה ללא אובדן נתונים איננה פרקטית ביישומי הזרמת וידאו HD בעולם האמיתי, ובמיוחד כאשר מדובר בכלי רכב לא מאוישים. עם זאת, ה-JPEG2000 יספק גישה נוחה לצפייה לגרסאות ברזולוציה נמוכה של התמונות בגלל המורשת שלו כסכמה לדחיסת תמונות.
JPEG2000 המאפשר אובדן נתונים יכול להגדיל את יחס הדחיסה עד 20:1 או אפילו 30:1, עם איכות ויזואלית מעולה, מה שיביא את קצבי הנתונים לטווח נוח יותר של 20-30Mbps. הגורם המגביל הוא השאלה כמה ירידה באיכות יכול היישום לסבול, כיוון שה-JPEG2000 נתקל במגבלה הנובעת מכך שכל המידע עבור כל מסגרת חייב להיות משודר במלואו. למעשה, ה-JPEG2000 חייב לשלוט רק באיכות הוידאו כדי להקטין את רוחב הפס הנדרש עבור יישום נתון.
H.264 – דחיסה ללא אובדן נתונים נראה לעין
ה-ITU-T H.264 (המוכר גם בשם MPEG-4 part 10) נולד ביוזמה משותפת של איגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי ושל קבוצת ה-Motion Picture Experts. לשני הגופים הללו יש עניין בהעברה יעילה של וידאו על-גבי מדיה ברוחב פס נמוך. לכן, ה-H.264 תוכנן במיוחד לספק איכות וידאו מטבית על-גבי קישור ברוחב פס נמוך – במקור על קו טלפון, אבל היום הוא הורחב גם לאיתרנט וליישומי RF אלחוטיים.
שיטות שונות פותחו במטרה לנצל את העובדה שלא כל המידע הכלול במסגרת נתונה משתנה ממסגרת למסגרת. למעשה, ביישומים רבים, רק כמות קטנה מהמידע משתנה ממסגרת למסגרת. בנוסף, חלק ניכר מהמידע שהשתנה ממסגרת למסגרת התרחש למעשה במסגרת הקודמת, רק במיקום אחר. וידאו נע, במיוחד כשמדובר בקלטי “חיים” של מצלמת וידאו, מספק דמיון ניכר בין מסגרת למסגרת. אפשר לנצל את נקודות הדמיון הללו ואת היתירויות כדי להגדיל באופן ניכר את ביצועי הדחיסה, עם השפעה מעטה או ללא כל השפעה על תפיסת איכות הוידאו.
אמנם התוצאה איננה דחיסה שאין בה אבדן נתונים מבחינה מתמטית, אך אפשר לומר ללא היסוס שהתמונה משמרת את הנתונים מבחינה חזותית-ראייתית כאשר משחזרים אותה. תמונה המשמרת נתונים מבחינה חזותית מוגדרת בדרך כלל ככזו שבה הנתונים החסרים אינם נראים לעין, ולא ניתן להבחין בהם ללא בחינה מעמיקה או השוואה עם נתוני המקור. חוסר היכולת לנצל נצילויות של מעבר ממסגרת למסגרת הוא אחד החסרונות הבוללטים של ה-JPEG2000 codec כאשר מיישמים אותו ביישומי הזרמת וידאו נע.
יחסי הדחיסה שניתן להשיג עם ה-H.264 codec ועם שימוש במעקב וקטורי תנועה יכולים להגיע עד 100 או 150:1, תוך שמירה על איכות וידאו טובה. כלומר, זרם וידאו מסוג HDTV (1920×1080 פיקסלים), בקצב של 30 מסגרות לשניה, ניתן לשידור עם רוחב פס קטן עד כדי 5-10Mbps. אם היישום מסוגל לסבול ירידה גדולה יותר באיכות הוידאו, ניתן להוריד את קצבי הנתונים עוד יותר תוך שמירה על רזולוציה ועל קצב מסגרות מלא. אם יש צורך בהקטנה קיצונית של רוחב הפס, אז ניתן להוסיף תכונות נוספות כמו הקטנה של קצב המסגרות או של גודל המסגרות כדי להוריד את רוחב הפס הנדרש ולהגיע אפילו לפחות מ-1Mbps במקרים מסוימים.
עבור יישומים שבהם יש צורך חיוני בוידאו ללא איבוד נתונים חזותי, ה-H.264 מספק פתרון מטבי למקסום יחסי הדחיסה ובמקביל מקסום תפיסת איכות הוידאו החזותית. את תכונות עקיבת התנועה של ה-H.264 codec ניתן לאפשר או לנטרל בהתאם לצרכיו של המשתמש. כשמנטרלים את תכונות עקיבת התנועה אין שימוש בהיסטוריה בין מסגרת אחת למשניה, תחת זאת כל המידע המלא הקשור למסגרת משודר הלאה במלואו (כלומר, חלה עליו רק התמרת דחיסה, ללא עקיבת תנועה).
מדרגיות
פתרון הזרמת וידאו חייב להיות מדרגי כדי לאפשר טיפול גם במספרים גדולים יותר של קלטי וידאו. בארכיטקטורה המסורתית, לוח הזרמת וידאו היה מחובר למעבד מרכזי על מחשב לוח יחיד (SBC). ה-SBC הזה היה מקבל זרם סיביות וידאו (bitstream) ומבצע את האנקפסולציה של הנתונים אל תוך זרם העברה לצורך שידור על-גבי איתרנט אל מחשב לקוח.
עם הזמן הלך מספר קלטי הוידאו וגדל והתעורר הצורך לטפל ביותר זרמי וידאו, בשלב כזה ה-SBC כבר לא יכול להצליח למלא את המשימה בעצמו. בשלב זה יש צורך בחומרת SBC נוספת, ומכאן עלו וצצו בעיות משמעותיות הקשורות למורכבותה של תוכנת היישום. עם זאת, ניתן למנוע חלק ניכר מהמורכבות הזו כאשר הופכים את זרם האיתרנט לפלט ישיר מלוח הוידאו עצמו. כאשר מוסיפים זרמי וידאו, ניתן להוסיף לוחות וידאו נוספים מבלי להגדיל את העומס על המעבד המרכזי.
אין ספק שעם מודול XMC קומפקטי כדוגמת ה-ICS-8580, המפיק פלטי איתרנט באופן ישיר,יתאפשר אפילו לפרוס פתרון דחיסה רב עצמה עם קלטי וידאו רבים וכמה וכמה לוחות, אבל ללא SBC אחד ויחיד במערכת.
גודל והספק
פיזור הספק הוא תמיד שיקול מרכזי בפריסה של מערכות ברכבים לא מאוישים. השימוש במודול XMC כדוגמת לוח דחיסת הוידאו של GE, עם התקנים מפזרים (דיסיפטיביים) דלי הספק, הוביל לפתרון שצורך בדרך כלל הספק של 15W לערך עבור שתי כניסות של 1080p30 HDTV. ללא הצורך ב-SBCs במערכת, צמצום צריכת ההספק בהשוואה לתצורות מסורתיות עשוי להיות משמעותי ביותר.
השטח הכולל הנדרש לתמיכה ב-ICS-8580 XMC הוא קטן. כתוצאה מכך מדובר במוצר הזרמת וידאו רב עצמה וגמיש הניתן להשמה כהתקן עצמאי על כרטיס נושא (carrier), או על SBC זמין במערכת – מה שהופך אותו למתאים במיוחד עבור מערכות עם מגבלות SWaP.
השהיות
בסביבות רבות של כלי רכב לא מאוישים דרושה למפעיל חוויה כמעט בזמן אמת. במקרים מסוימים זה בלתי אפשרי בגלל השהיות ממושכות בזמן השידור. אבל במקומות שבהן החוויה של כמעט זמן אמת נחוצה ואפשרית, חומרת הזרמת הוידאו חייבת לספק השהיית תפוקה נמוכה ביותר. זה אפשרי רק אם מתכנני החומרה לקחו בחשבון את ההשהיה כבר משלביו הראשונים של התכנון. לדוגמה, המתכננים של לוח דחיסת הוידאו של GE לקחו בחשבון את סוגיית ההשהיה ולכן הוא מסוגל להשיג באופן אמין השהיות של פחות מ-75ms ופחות מ-50ms במקרים מסוימים.
תקני וידאו קלט
ישנם הרבה מאוד תקני וידאו ותיקים וחדשים, ולעתים בתכנון נתון יכול להיעשות שימוש בתמהיל של תקנים. יכולה להיות חומרת וידאו דיגיטלית חדשה לצד קלטי וידאו אנלוגיים ותיקים וכולם יצריכו טיפול על-ידי אותו ציוד הזרמת וידאו. החומרה ללכידת וידאו צריכה לתמוך בכל הקלטים האנלוגיים המסורתיים, לרבות STANAG3350A/B/C, RS-170 RGB, מודים של Sync-on-Green וכל הקלטים מסוג VESA VGA, כמו גם בפורמטים דיגיטליים חדשים יותר כדוגמת DVI, HDMI, 3G-SDI ואפילו איתרנט.
מודול XMC קומפקטי במיוחד כמו ה-ICS-8580 של GE, עם תמיכה נרחבת בתקנים של קלטי וידאו, מסוגל ללכוד את כל סוגי הוידאו הנדרשים ללא צורך בשינויים במבנה החומרה. אפשרות זו מובילה ליתרון חשוב עבור משלבי מערכות כיוון שאין צורך לאשר פלטפורמת חומרה חדשה בכל פעם שנדרשת תמיכה בתקן חדש של קלט וידאו.
הגדרות Codec רבגוניות
היכולת לנצל בצורה המטבית את רוחב הפס הזמין היא קריטית לפריסה יעילה של ציוד הזרמת וידאו בכלי רכב לא מאוישים. בנוסף, חשוב להבין שמה שמוגדר כמטבי עשוי להשתנות בנקודות שונות בזמן, אפילו במהלך משימה אחת ספציפית. לעתים חשוב יותר לקבל וידאו בקצב מסגרות מלא על חשבון איכות הוידאו. במצבים אחרים עדיף לקבל את איכות הוידאו הטובה ביותר שאפשר, גם אם זה אומר ירידה בקצב המסגרות. מה שמסבך עוד יותר את העניינים היא העובדה שרוחב הפס הזמין עשוי להידרש גם להעברת סוגים אחרים של תנועת נתונים, וגם להם יכולים להיות נקודות שיא ושפל.
היכולת להשתמש באופן מלא ויעיל ברוחב פס התקשורת הזמין הופכת את מערכת הזרמת הוידאו להרבה יותר מועילה, שימושית ורצויה. פתרון דחיסת הוידאו ICS-8580 של GE מספק פרמטרים רבים שניתן לשלוט בהם ממחשב לקוח מרוחק, לעתים על-ידי מפעיל, או להגביל אותם לגישה ברמת הפקח אם יש שיקולים של סיכוני אבטחה. הפרמטרים הללו מאפשרים הגדרה של גורמים שונים, ביניהם איכות וידאו, תקופתיות של מסגרות “I” מקודדות באופן מלא, קצב מסגרות ורזולוציה. כאשר כל הבקרות הללו זמינות אפשר יהיה לקבוע מהו השימוש הטוב ביותר ברוחב הפס הזמין – השימוש שיעזור לנו להשיג את המטרות של יישום הזרמת הוידאו. ה-ITU-T H.264 AVC codec נבחר ליישום על ה-ICS8580 בין השאר כיוון שהוא מציע יכולת גבוהה מאוד להתאים את המערכת ליעדי הביצועים.
הדרך הטובה ביותר קדימה
חברת GE Intelligent Platforms תכננה את ה-ICS-8580 תוך מחשבה על כלי רכב לא מאוישים. המודול מותאם לדרישותיהם של משתמשים המתכננים פתרונות להזרמת וידאו. הוא מציע מגוון תכונות הנחוצות כדי לעמוד בדרישות המרובות, ולעתים סותרות, של יישומי הזרמת וידאו בכלי רכב לא מאוישים, לרבות דחיסה אולטרה-יעילה, מדרגיות, מאפייני SWaP, גמישות קלט והגדרות codec רבגוניות. פתרון הזרמת הוידאו של GE Intelligent Platforms, דגם ה- ICS-8580, מספק שילוב של תכונות, גמישות, תמיכה בקלטי וידאו, הספק נמוך וממדים קטנים, ההופכים אותו למתאים במיוחד לשוק כלי הרכב הלא מאוישים.
*הכתבה נמסרה באדיבות חברת אדקו
