現代の組み込みシステムでは、低遅延と最適な消費電力を維持しながら、高解像度ビデオストリームを効率的に処理することがますます求められています。監視、ストリーミング、放送、産業用ビジョンなどのアプリケーションでは、CPUに過負荷をかけずにリアルタイムのビデオ処理を行うことが不可欠です。
AMD Versal AI Edge Gen2プラットフォームに統合されたビデオコーデックユニット2（VCU2）は、ビデオエンコードとデコード専用のハードウェアアクセラレーションを提供することで、この課題に対応します。VCU2は、プロセッサから計算負荷の高いビデオワークロードをオフロードすることで、次世代組み込みシステム向けに信頼性の高い高品質なビデオパイプラインを実現します。
図：Versal AI Edge Gen2評価プラットフォーム
VCU2とは何ですか？
VCU2は、Versalアーキテクチャに組み込まれた専用のハードウェアビデオコーデックエンジンです。ビデオストリームの圧縮（エンコード）と解凍（デコード）の両方をリアルタイムで実行するため、CPU上で動作するソフトウェアベースのコーデックは不要です。
本ユニットは、H.264（AVC）、H.265（HEVC）、JPEGといった広く普及しているビデオ規格をサポートしており、幅広いアプリケーションやエコシステムとの互換性を実現しています。
VCU2は、最大4K Ultra HD（3840×2160）の解像度とマルチストリーム処理に対応しており、最新のビデオ中心システムに求められる性能と柔軟性を提供します。
VCU2システムアーキテクチャ
VCU2サブシステムは、高帯域幅の相互接続を介してシステムメモリおよび処理リソースと緊密に統合されており、パイプライン全体でビデオデータを効率的に転送することを可能にします。
典型的なアーキテクチャは以下の要素で構成されます。
- カメラやネットワークストリームなどのビデオ入力ソース
- ビデオ圧縮用VCU2エンコーダ
- フレームバッファリング用のDDRメモリ
- 解凍用VCU2デコーダー
- ディスプレイパイプライン（例：DisplayPort出力）
このアーキテクチャにより、エンコード→バッファリング→デコード→表示という一連のワークフローを単一のプラットフォーム内で完全に実現できます。
4Kビデオパイプライン：エンコードとデコードの流れ
図：VCU2エンコードおよびデコードのブロック図
図：VCU2エンコード/デコードテスト環境
VCU2パイプラインは、リアルタイムのエンコードとデコードを実現するために、複数の段階を経てビデオを処理します。
- ビデオ入力： ビデオフレームは、カメラ、保存ファイル、ネットワークストリームなどの入力ソースから取得されます。これらのフレームは、未処理または前処理済みの形式でパイプラインに提供されます。
- エンコード操作: VCU2エンコーダーは、H.264またはH.265コーデックを使用して受信フレームを圧縮します。この処理はハードウェアで行われるため、高解像度ストリームでも安定したフレームレートと低遅延を実現します。
- フレームバッファリング: エンコードされたビデオストリームは、共有バッファとして機能するDDRメモリに格納されます。この段階により、エンコードとデコードの処理が分離され、ストリーミングやストレージのワークフローを効率的に処理することが可能になります。
- デコード操作: VCU2デコーダは、メモリから圧縮されたビデオデータを取り出し、リアルタイムで生のビデオフレームに再構築します。
- ディスプレイ出力： デコードされたフレームは、通常はDisplayPortなどのインターフェースを介してディスプレイパイプラインに渡され、外部ディスプレイでのスムーズな再生を可能にする。
デモ：VCU2ベースの4Kビデオ処理の動作
ハードウェアアクセラレーションによるビデオ処理の実際の性能を実証するために、iWaveはVersal AI Edge Gen2システムオンモジュール上で動作するVCU2ベースの4Kエンコード/デコードパイプラインを紹介するライブデモを開発しました。
このデモでは、専用のハードウェアアクセラレーションを使用して高解像度ビデオストリームを効率的に処理し、低遅延かつ最小限のCPU使用率でリアルタイムパフォーマンスを実現する方法を紹介します。
デモ動画の全編はこちらをご覧ください：https://www.youtube.com/watch?v =3rYlFINk2_c
主なメリット
Versal AI Edge Gen2プラットフォームへのVCU2の統合は、組み込みビデオアプリケーションにいくつかの利点をもたらします。
高性能：安定したスループットで4K UHDビデオストリームのリアルタイム処理をサポートします。
CPU使用率の低減：専用ハードウェアアクセラレーションによりプロセッサ負荷が大幅に軽減され、CPUリソースを制御タスクやアプリケーションタスクに解放します。
低遅延：ダイレクトメモリアクセスとパイプライン処理により、エンドツーエンドのビデオ遅延を最小限に抑えます。
マルチストリーム機能：複数のビデオストリームの同時エンコードおよびデコードをサポートし、拡張性の高いシステム設計を可能にします。
電力効率：ハードウェアベースのビデオ処理は、ソフトウェアベースの実装と比較して、システム全体の消費電力を削減します。
用途
VCU2対応パイプラインは、幅広い組み込みビデオアプリケーションに適しています。
- マルチカメラ処理機能を備えたビデオ監視システム
- 放送およびメディア制作システム
- 動画配信およびOTTプラットフォーム
- 産業用監視・検査システム
- 医療画像処理およびビデオ録画ソリューション
設計上の考慮事項
VCU2で最適なパフォーマンスを実現するには、システムレベルの設計面を慎重に検討する必要があります。
高解像度およびマルチストリームのビデオワークロードを処理するには、十分なメモリ帯域幅が不可欠です。エンコード段階とデコード段階間のスムーズなデータフローを確保するため、バッファ管理戦略を最適化する必要があります。さらに、ビットレート、解像度、GOP構造などのコーデックパラメータは、アプリケーションの要件に基づいて設定する必要があります。
実際の運用条件下でシステムの遅延とスループットを検証することも、安定したパフォーマンスを確保するために非常に重要です。
AMD Versal AI Edge Gen2システムオンモジュールに搭載されているVCU2は、エンドツーエンドのビデオ処理を実現する強力なハードウェアアクセラレーションソリューションを提供します。エンコード、バッファリング、デコード、および表示を統合パイプラインに組み込むことで、低遅延かつ高効率なリアルタイム4Kビデオ処理を可能にします。
このため、このプラットフォームは、幅広いアプリケーションに対応する拡張性と高性能を備えた組み込みビデオシステムを構築する開発者にとって理想的な選択肢となります。
iWave Globalは、システムオンモジュール、FPGAプラットフォーム、ODMサービスを専門とする大手組み込みソリューションプロバイダーです。ビデオ、RF、高性能コンピューティングシステムに関する深い専門知識を活かし、iWaveは産業、医療、航空宇宙、通信分野における製品開発の加速を顧客に支援します。
