«Стрим Лабс» — один из лидеров по разработкам и технологиям в области быстрой обработки большого объема данных с использованием ПЛИС и специализированных процессоров. В настоящий момент компания заканчивает разработку собственной реализации алгоритма сжатия JPEG-XS.

С 1991 года «Стрим Лабс» занимается дизайном и производством электронного оборудования со встроенным программным обеспечением. Последние разработки компании позволили создать решение, которое предназначено для использования в системах, где необходим минимальный уровень задержки сигнала при его конвертации и обработке. Особенность решения — малая задержка обеспечивается для высоких информационных скоростей.

Потенциальной сферой применения решения являются, например, системы удаленного управления производственными процессами, системы машинного зрения и другие подобные приложения, где критична минимальная задержка при большом объеме данных.

Одной из основных характеристик современных технических систем является быстродействие. Казалось, бы любая вычислительная система, при достаточном количестве параллельных процессов, может обеспечить какое угодно быстродействие. Но плата за это — возрастающая стоимость решения. Поэтому, если необходимо высокое быстродействие с невысокой стоимостью решения, использовать «обычные» процессоры не получится. Еще один минус использования таких процессоров — габариты, так как необходима установка сервера, который будет обеспечивать вычислительные операции.

Если объемы данных большие, то для передачи их по каналам связи используют сжатие (компрессию). Для сжатия используются математические алгоритмы, уменьшающие объем передаваемых данных с возможностью их последующего восстановления с потерями или без потерь. Особенность таких алгоритмов состоит в том, что они всегда вносят задержку в техническую систему.

Если большой объем данных нужно передать по низкоскоростному каналу связи, то нужно быть готовым к следующим неприятностям: возрастают задержка и величина дрожания, вырастут потери данных, так как придется использовать алгоритмы сжатия с потерями.

Таким образом, полная суммарная задержка системы будет составлять величину не менее 1 секунды. Очевидно, что для критических приложений такая задержка неприемлема. Также классическим примером неприемлемой задержки является задержка при трансляции футбольного матча, когда одна часть зрителей радуется забитому голу, а вторая еще ждет, когда соответствующий видеоряд будет показан.

Решения компании «Стрим Лабс», о которых пойдет речь далее, решают вопросы создания приложений (как программных, так и аппаратных) для обработки большого количества информации с минимальной задержкой при применении компрессии. Компания занимается разработкой алгоритмов, дизайном и производством электронных устройств с 1994 года. До недавнего времени разработки «Стрим Лабс» использовались в основном в передаче телевизионных сигналов, однако наработанный опыт, имеющаяся проектная и производственная база, позволяют выполнять разработку и производство любых устройств, где необходимо минимальное значение задержки сигнала.

Одним из решений проблем с большой задержкой является использование специализированных процессоров или программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). При их использовании вычислительные ресурсы распределены таким образом, что они минимально используются для решения вспомогательных задач (особенно это касается ПЛИС).

В настоящий момент компания «Стрим Лабс» заканчивает разработку собственной реализации алгоритма сжатия JPEG-XS. Данный алгоритм применяется для сжатия видеопотоков таким образом, чтобы обеспечить их передачу с использованием стандартных интерфейсов передачи данных с минимальной задержкой. Таким образом, какова бы не была начальная информационная скорость, с использованием сжатия удастся понизить ее до значений, приемлемых для стандартных интерфейсов.

На базе ПЛИС компания «Стрим Лабс» разработала и поставила на производство устройство шлюза видеосигнала сверхвысокой четкости (ultra-high definition), структура которого показана на Рисунке 2. Данное устройство принимает видеосигнал по специализированному интерфейсу от видеокамеры сверхвысокой четкости с информационной скоростью 12 Гбит/сек, выполняет преобразование и компрессию сигнала таким образом, чтобы данный сигнал «уместился» в стандартный интерфейс 10G. Также реализована возможность упаковки нескольких сигналов в интерфейс 10G при более высокой степени компрессии, а также использование интерфейса 40G для большего количества сигналов.

Применение подобных устройств целесообразно в любых системах, где требуется минимальная задержка при высоких информационных скоростях. Примерами таких систем могут являться системы управления транспортом, дистанционное управление строительной техникой, дистанционное проведение медицинских манипуляций, спутниковые системы.

Рассмотрим применение описанной разработки для дистанционного управления аэропортом. Не секрет, что управление аэропортом требует высокой квалификации персонала, что вызывает трудности в эксплуатации небольших аэропортов. Россия имеет огромный потенциал развития региональной авиации, количество городов с населением больше 100 тысяч человек по состоянию на 2023 год – 1117. И только малая их доля связана с большими городами авиационным сообщением.

На Рисунке 2 изображена схема использования шлюза в качестве опционального мультиплексора для передачи в центр управления сигналов от видеокамер высокой четкости, расположенных в удаленном аэропорту. Сигнал с данных камер передается в центр управления на видеостену. При этом у оператора намеренно формируется «иллюзия присутствия» в удаленном аэропорту.

В данном примере шлюз выполняет следующие задачи:

1. Получает информацию с видеокамер и осуществляет сжатие с использованием алгоритма сжатия, разработанного компанией «Стрим Лабс»;
2. Упаковывает сжатый сигнал в IP-пакеты, при этом каждый пакет помечается высокоточной временной меткой;
3. Сформированный пакет немедленно отправляется в центр управления.

Использование шлюза в данном примере гарантирует, что полная задержка будет состоять только из задержки канала связи между удаленным аэропортом и центром управления. Обратите внимание, что при применении шлюза обеспечивается передача изображения с максимальным качеством при минимальной задержке – в этом и состоит особенность решения «Стрим Лабс».

Разумеется, возможна адаптация использования шлюза для других подобных приложений, а также модернизация шлюза для использования различных интерфейсов передачи данных.

Для шлюза специалистами «Стрим Лабс» выполнены научно-исследовательские работы, проектно-конструкторские работы, изготовлены и испытаны опытные образцы продукции, а также выполнена постановка продукции на производство. Все указанные работы выполнены в существующем центре компетенций компании на территории РФ без привлечения сторонних разработчиков.

Опыт разработки и владение технологиями позволяет создавать высокопроизводительные устройства не только для телевизионных цифровых сигналов, но и для обработки любых данных с малой задержкой.

Помимо готовых устройств «Стрим Лабс» обладает компетенциями по созданию специализированных прошивок для ПЛИС по техническим заданиям заказчиков, выполнению научно-исследовательских работ по разработке алгоритмов, проведению испытаний опытных образцов и готовой продукции. Собственная производственная база позволяет в короткие сроки поставить разработанную продукцию на производство. Возможна разработка и изготовление как единичных экземпляров продукции, так любого количества устройств по требованию заказчика.

Фото: «Стрим Лабс»; Shutterstock; Pexels