Guide de l'utilisateur IP de l'encodeur Microchip PolarFire® FPGA H.264

H.264 est une norme de compression vidéo populaire pour la compression de la vidéo numérique. Il est également connu sous le nom de MPEG-4 Part10 ou Advanced Video Coding (MPEG-4 AVC). H.264 utilise une approche par bloc pour compresser la vidéo où la taille du bloc est définie comme 16 × 16 et ce bloc est appelé macrobloc. La norme de compression prend en charge divers profiles qui définissent le taux de compression et la complexité de mise en œuvre. Les images vidéo à compresser sont traitées comme une image I, une image P et une image B. Une trame I est une trame intra-codée où la compression est effectuée en utilisant les informations contenues dans la trame. Aucune autre trame n'est nécessaire pour décoder une trame I. La trame AP est compressée en utilisant les modifications par rapport à une trame antérieure qui peut être une trame I ou une trame P. La compression de l'image B est effectuée en utilisant les changements de mouvement par rapport à la fois à une image précédente et à une image à venir.

Le processus de compression de trame I a quatre stages—prédiction intra, transformation d'entier, quantification et encodage d'entropie. H.264 prend en charge deux types de codage : le codage de longueur variable adaptatif contextuel (CAVLC) et le codage arithmétique binaire adaptatif contextuel (CABAC). La version actuelle de l'IP implémente Baseline profile et utilise CAVLC pour le codage entropique. En outre, l'IP ne prend en charge que le codage des trames I.

Caractéristiques principales

Implémente la compression sur le format vidéo YCbCr 420
Attend l'entrée au format vidéo YCbCr 422

Prend en charge 8 bits pour chaque composant (Y, Cb et Cr)
Sortie de flux d'octets NAL conforme à l'ITU-T H.264 Annexe B

Fonctionnement autonome, assistance CPU ou processeur non requise
Facteur de qualité configurable par l'utilisateur QP pendant le temps d'exécution

Calcul au rythme de 1 pixel par horloge
Prend en charge la compression jusqu'à une résolution de 1080p 60 fps.

Familles soutenues

FPGA SoC PolarFire®
FPGA PolarFire®

Implémentation matérielle

La figure suivante montre le schéma fonctionnel de l'encodeur de trame I H.264.

Illustration 1-1. Schéma de principe IP de l'encodeur de trame H.264 I

Entrées et sorties

Le tableau suivant répertorie les ports d'entrée et de sortie de l'encodeur de trame H.264 IP.

Tableau 1-1. Ports d'entrée et de sortie de l'encodeur de trame H.264 I IP

Nom du signal	Direction	Largeur	Port Valide Sous	Description
RÉINITIALISER_N	Saisir	1	—	Signal de réinitialisation asynchrone actif-bas à la conception.
SYS_CLK	Saisir	1	—	Horloge d'entrée avec laquelle les pixels entrants sont sampLED.
DATA_Y_I	Saisir	8	—	Entrée pixel Luma 8 bits au format 422.
DONNEES_C_I	Saisir	8	—	Entrée pixel Chroma 8 bits au format 422.
DATA_VALID_I	Saisir	1	—	Signal valide de données de pixel d'entrée.
FRAME_END_I	Saisir	1	—	Indication de fin de trame.
FRAME_START_I	Saisir	1	—	Indication de début de trame. Le front montant de ce signal est considéré comme un début de trame.
HRES_I	Saisir	16	—	Résolution horizontale de l'image d'entrée. Il doit être multiple de 16.
VRES_I	Saisir	16	—	Résolution verticale de l'image d'entrée. Il doit être multiple de 16.
QP_I	Saisir	6	—	Facteur de qualité pour la quantification H.264. La valeur est comprise entre 0 et 51, où 0 représente la qualité la plus élevée et la compression la plus faible et 51 représente la compression la plus élevée.
DONNÉES_O	Sortir	8	—	Sortie de données codées H.264 contenant l'unité NAL, l'en-tête de tranche, le SPS, le PPS et les données codées des macroblocs.
DATA_VALID_O	Sortir	1	—	Le signal indiquant que les données codées sont valides.

Paramètres de configuration

Le H.264 I Frame Encoder IP n'utilise pas de paramètres de configuration.

Implémentation matérielle de l'encodeur de trame H.264 I IP

La figure suivante montre le schéma fonctionnel de l'encodeur de trame I H.264.

Illustration 1-2. Schéma de principe IP de l'encodeur de trame H.264 I

Description de la conception de l'encodeur de trame H.264 I IP

Cette section décrit les différents modules internes de l'IP du générateur de trames H.264 I. Les données entrées dans l'IP doivent être sous la forme d'une image de balayage raster au format YCbCr 422. L'IP utilise le format 422 en entrée et implémente la compression au format 420.

Cadreur matriciel 16 × 16

Ce module encadre les macroblocs 16 × 16 pour le composant Y selon la spécification H.264. Les tampons de ligne sont utilisés pour stocker 16 lignes horizontales d'image d'entrée et une matrice 16 × 16 est encadrée à l'aide de registres à décalage.

Cadreur matriciel 8 × 8

Ce module encadre les macroblocs 8 × 8 pour le composant C selon la spécification H.264 pour le format 420. Les tampons de ligne sont utilisés pour stocker 8 lignes horizontales d'image d'entrée et une matrice 8 × 16 est encadrée à l'aide de registres à décalage. A partir de la matrice 8×16, les composantes Cb et Cr sont séparées pour encadrer chaque matrice 8×8.

Cadreur matriciel 4 × 4

La transformation entière, la quantification et le codage CAVLC fonctionnent sur un sous-bloc 4 × 4 dans un macrobloc. Le cadreur matriciel 4 × 4 génère un sous-bloc 4 × 4 à partir d'un macro-bloc 16 × 16 ou 8 × 8. Ce générateur de matrice couvre tous les sous-blocs d'un macrobloc avant de passer au macrobloc suivant.

Prédiction intra

H.264 utilise divers modes intra-prédiction pour réduire les informations dans un bloc 4 × 4. Le bloc intra-prédiction dans l'IP utilise uniquement la prédiction DC sur la taille de la matrice 4 × 4. La composante DC est calculée à partir des blocs 4 × 4 adjacents en haut et à gauche.

Transformation d'entier

H.264 utilise une transformée en cosinus discrète entière où les coefficients sont répartis sur la matrice de transformée entière et la matrice de quantification de sorte qu'il n'y a pas de multiplications ou de divisions dans la transformée entière. La transformée entière stage implémente la transformation à l'aide des opérations de décalage et d'ajout.

Quantification

La quantification multiplie chaque sortie de transformation entière par une valeur de quantification prédéterminée définie par la valeur d'entrée utilisateur QP. La plage de valeur QP est de 0 à 51. Toute valeur supérieure à 51 est clamped à 51. Une valeur QP inférieure indique une compression inférieure et une qualité supérieure et vice versa.

CAVLC

H.264 utilise deux types de codage entropique : le codage de longueur variable adaptatif contextuel (CAVLC) et le codage arithmétique binaire adaptatif contextuel (CABAC). L'IP utilise CAVLC pour coder la sortie quantifiée.

Générateur d'en-tête

Le bloc générateur d'en-tête génère les en-têtes de bloc, les en-têtes de tranche, l'ensemble de paramètres de séquence (SPS), l'ensemble de paramètres d'image (PPS) et l'unité de couche d'abstraction de réseau (NAL) en fonction de l'instance de la trame vidéo.

Générateur de flux H.264

Le bloc générateur de flux H.264 combine la sortie CAVLC avec les en-têtes pour créer la sortie codée selon le format standard H.264.

Banc d'essai

Testbench est fourni pour vérifier la fonctionnalité de H.264 I frame Encoder IP.

Simulation

La simulation utilise une image 224×224 au format YCbCr422 représentée par deux files, chacun pour Y et C en entrée et génère un H.264 file format contenant deux cadres. Les étapes suivantes décrivent comment simuler le noyau à l'aide du testbench.

Aller au catalogue Libero SoC > View > Windows > Catalogue, puis développez Solutions-Video. Double-cliquez sur H264_Iframe_Encoder, puis cliquez sur OK.

Illustration 2-1. H.264 I Frame Encoder IP Core dans le catalogue Libero SoC
Aller à la Files et sélectionnez simulation > Importer Files.

Illustration 2-2. Importer Files
Importez les fichiers H264_sim_data_in_y.txt, H264_sim_data_in_c.txt et H264_refOut.txt files à partir du chemin suivant : ..\\component\Microsemi\SolutionCore\ H264_Iframe_Encoder\ 1.0.0\Stimulus.
Pour importer un autre file, parcourez le dossier contenant les éléments requis file, puis cliquez sur Ouvrir. L'import file est répertorié sous simulation, voir la figure suivante.

Illustration 2-3. Importé Files
Aller à la relance Hiérarchie appuyez sur l'onglet et sélectionnez H264_frame_Encoder_tb (H264_frame_Encoder_tb.v) >
Simuler la conception de pré-synthé > Ouvrir interactivement. L'IP est simulé pour deux trames.

Illustration 2-4. Simulation de conception de pré-synthèse

ModelSim s'ouvre avec le testbench file comme le montre la figure suivante.

Illustration 2-5. Fenêtre de simulation ModelSim

Note: Si la simulation est interrompue en raison de la limite d'exécution spécifiée dans le DO file, utilisez la commande run -all pour terminer la simulation.

Licence

H.264 I frame Encoder IP est fourni sous forme cryptée uniquement sous licence.

Instructions d'installation

Le noyau doit être installé dans le logiciel Libero SoC. Cela se fait automatiquement via la fonction de mise à jour du catalogue dans le logiciel Libero SoC, ou le CPZ file peuvent être ajoutés manuellement à l'aide de la fonctionnalité de catalogue Add Core. Lorsque le CPZ file est installé dans Libero, le noyau peut être configuré, généré et instancié dans SmartDesign pour être inclus dans le projet Libero.

Pour plus d'instructions sur l'installation principale, les licences et l'utilisation générale, consultez Aide en ligne Libero SoC.

Utilisation des ressources

Le tableau suivant répertorie l'utilisation des ressources deample H.264 I frame Encoder IP design made for PolarFire FPGA (MPF300TS-1FCG1152I package) et génère des données compressées en utilisant 4:2:2 sampdonnées d'entrée.

Tableau 5-1. Utilisation des ressources de l'encodeur de trame H.264 I IP

Élément	Usage
4LUT	15160
DFF	15757
LSRAM	67
µSRAM	23
Blocs mathématiques	18
LUT d'interface à 4 entrées	3336
DFF d'interface	3336

Historique des révisions

Le tableau de l'historique des révisions décrit les modifications qui ont été implémentées dans le document. Les modifications sont répertoriées par révision, en commençant par la publication la plus récente.

Révision	Date	Description
A	01/2022	La première publication du document.

Prise en charge des micropuces FPGA

Le groupe de produits Microchip FPGA soutient ses produits avec divers services de support, y compris le service client, le centre de support technique client, un website et des bureaux de vente dans le monde entier. Les clients sont invités à consulter les ressources en ligne de Microchip avant de contacter l'assistance, car il est très probable que leurs questions aient déjà reçu une réponse.

Contactez le centre d'assistance technique via le website à www.microchip.com/support. Mentionnez le numéro de pièce de l'appareil FPGA, sélectionnez la catégorie de cas appropriée et téléchargez la conception files lors de la création d'un dossier de support technique.

Contactez le service client pour une assistance produit non technique, telle que la tarification des produits, les mises à niveau des produits, les informations de mise à jour, le statut de la commande et l'autorisation.

Depuis l'Amérique du Nord, appelez 800.262.1060
Depuis le reste du monde, appelez 650.318.4460

Fax, de n'importe où dans le monde, 650.318.8044

La micropuce Website

Microchip fournit une assistance en ligne via notre website à www.microchip.com/. Ce weble site est utilisé pour faire files et informations facilement accessibles aux clients. Voici quelques-uns des contenus disponibles :

Assistance produit – Fiches techniques et errata, notes d'application et samples programmes, les ressources de conception, les guides d'utilisation et les documents de support matériel, les dernières versions de logiciels et les logiciels archivés

Assistance technique générale - Foire aux questions (FAQ), demandes d'assistance technique, groupes de discussion en ligne, liste des membres du programme de partenariat de conception Microchip
Activité de Microchip - Guides de sélection et de commande de produits, derniers communiqués de presse de Microchip, liste des séminaires et événements, listes des bureaux de vente, des distributeurs et des représentants d'usine de Microchip.

Service de notification de changement de produit

Le service de notification de changement de produit de Microchip aide les clients à rester informés sur les produits Microchip. Les abonnés recevront une notification par e-mail chaque fois qu'il y aura des changements, des mises à jour, des révisions ou des errata liés à une famille de produits ou à un outil de développement spécifique.

Pour vous inscrire, rendez-vous sur www.microchip.com/pcn et suivez les instructions d'inscription.

Assistance clientèle

Les utilisateurs de produits Microchip peuvent recevoir de l'aide via plusieurs canaux :

Distributeur ou représentant

Bureau de vente local
Ingénieur Solutions Embarquées (ESE)
Assistance technique

Les clients doivent contacter leur distributeur, leur représentant ou ESE pour obtenir de l'aide. Des bureaux de vente locaux sont également disponibles pour aider les clients. Une liste des bureaux de vente et des emplacements est incluse dans ce document.

Le support technique est disponible via le website à: www.microchip.com/support

Fonction de protection du code des appareils Microchip

Notez les détails suivants concernant la fonction de protection du code sur les produits Microchip :

Les produits Microchip répondent aux spécifications contenues dans leur fiche technique Microchip particulière.
Microchip estime que sa gamme de produits est sécurisée lorsqu'elle est utilisée de la manière prévue, dans le cadre des spécifications de fonctionnement et dans des conditions normales.
Microchip valorise et protège agressivement ses droits de propriété intellectuelle. Les tentatives de violation des fonctions de protection du code du produit Microchip sont strictement interdites et peuvent enfreindre le Digital Millennium Copyright Act.

Ni Microchip ni aucun autre fabricant de semi-conducteurs ne peut garantir la sécurité de son code. La protection du code ne signifie pas que nous garantissons que le produit est « incassable ». La protection du code évolue constamment. Microchip s'engage à améliorer en permanence les fonctionnalités de protection du code de ses produits.

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Cette publication et les informations qu'elle contient ne peuvent être utilisées qu'avec les produits Microchip, y compris pour concevoir, tester et intégrer les produits Microchip à votre application. L'utilisation de ces informations de toute autre manière viole ces conditions. Les informations concernant les applications de l'appareil sont fournies uniquement pour votre commodité et peuvent être remplacées par des mises à jour. Il est de votre responsabilité de vous assurer que votre application répond à vos spécifications. Contactez votre bureau de vente Microchip local pour une assistance supplémentaire ou obtenez une assistance supplémentaire sur www.microchip.com/en-us/support/design-help/client-support-services.

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Chine – Qingdao
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Chine – Suzhou
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Chine – Wuhan
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Chine – Xian
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Chine – Xiamen
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Chine – Zhuhai
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Malaisie – Penang
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Philippines – Manille
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Singapour
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Taïwan – Kaohsiung
Tél. : 886-7-213-7830

Taïwan – Taipei
Tél. : 886-2-2508-8600

Thaïlande – Bangkok
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Vietnam–Ho Chi Minh
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Finlande – Espoo
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Allemagne – Garching
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Allemagne – Haan
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Allemagne – Heilbronn
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Allemagne – Karlsruhe
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Allemagne – Rosenheim
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Israël – Raanana
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Italie – Padoue
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Norvège – Trondheim
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Pologne – Varsovie
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Roumanie – Bucarest
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Espagne – Madrid
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Suède – Göteborg
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Suède – Stockholm
Tél. : 46-8-5090-4654

Royaume-Uni – Wokingham
Tél. : 44-118-921-5800
Télécopieur : 44-118-921-5820

Documents / Ressources

	Encodeur Microchip PolarFire® FPGA H.264 IP [pdf] Guide de l'utilisateur Encodeur PolarFire FPGA, Encodeur H.264, Encodeur FPGA H.264, Encodeur IPIP
	MICROCHIP PolarFire FPGA H.264 Encodeur IP [pdf] Guide de l'utilisateur PolarFire FPGA H.264 Codeur IP, PolarFire FPGA, Codeur H.264 IP

Références

Manuel d'utilisation

Introduction