Codificatore I-Frame PolarFire H.264 IP
Guida per l'utente

Introduzione

H.264 è un popolare standard di compressione video per la compressione di video digitali. È anche noto come MPEG-4 Part10 o Advanced Video Coding (MPEG-4 AVC). H.264 utilizza un approccio basato sul blocco per comprimere il video in cui la dimensione del blocco è definita come 16 × 16 e tale blocco è chiamato blocco macro. Lo standard di compressione supporta vari profiles che definiscono il rapporto di compressione e la complessità dell'implementazione. I frame video da comprimere vengono trattati come I-Frame, P-Frame e B-Frame. Un I-Frame è un frame intra-codificato in cui la compressione viene eseguita utilizzando le informazioni contenute all'interno del frame. Non sono necessari altri frame per decodificare un I-Frame. Un P-Frame viene compresso utilizzando le modifiche rispetto a un frame precedente che può essere un I-Frame o un P-Frame. La compressione di B-Frame viene eseguita utilizzando i cambiamenti di movimento rispetto sia a un fotogramma precedente che a un fotogramma successivo. Il processo di compressione I-Frame ha quattro stagPredizione es-Intra, trasformazione di numeri interi, codifica di quantizzazione e entropia. H.264 supporta due tipi di codifica: CAVLC (Context Adaptive Variable Length Coding) e CABAC (Context Adaptive Binary Arithmetic Coding). L'attuale versione dell'IP implementa Baseline profile e utilizza CAVLC per la codifica entropica. Inoltre, l'IP supporta la codifica solo di I-Frame.
Caratteristiche principali

• Implementa la compressione sul formato video YCbCr 420
• Prevede l'input nel formato video YCbCr 422
• Supporta 8 bit per ogni componente (Y, Cb e Cr)
• Uscita flusso di byte NAL conforme all'allegato B ITU-T H.264
• Non sono richiesti funzionamento autonomo, CPU o assistenza del processore
• Fattore di qualità QP configurabile dall'utente durante il runtime
• Calcolo alla velocità di 1 pixel per clock
• Supporta la compressione fino alla risoluzione di 1080p 60 fps

Famiglie supportate

• SoC FPGA PolarFire®
• FPGA PolarFire®

Implementazione hardware

La figura seguente mostra il diagramma a blocchi IP dell'encoder I-Frame H.264.
Figura 1-1. Diagramma a blocchi IP dell'encoder I-Frame H.264

1.1 Ingressi e Uscite
La tabella seguente elenca le porte di ingresso e di uscita di H.264 Frame Encoder IP.
Tabella 1-1. Porte di ingresso e uscita dell'IP dell'encoder I-Frame H.264

Nome del segnale	Direzione	Larghezza	Porta Valido Sotto	Descrizione
RESET_N	Ingresso	1	—	Segnale di ripristino asincrono attivo-basso al progetto.
SYS_CLK	Ingresso	1	—	Input clock con cui i pixel in ingresso sono sampguidato.
DATI_Y_I	Ingresso	8	—	Ingresso pixel Luma a 8 bit in formato 422.
DATI_C_I	Ingresso	8	—	Input di pixel Chroma a 8 bit in formato 422.
DATA_VALID_I	Ingresso	1	—	Segnale di ingresso dati pixel valido.
FRAME_END_I	Ingresso	1	—	Indicazione di fine frame.
FRAME_START_I	Ingresso	1	—	Indicazione di inizio frame. Il fronte di salita di questo segnale è considerato come inizio del frame.
HRES_I	Ingresso	16	—	Risoluzione orizzontale dell'immagine in ingresso. Deve essere multiplo di 16.
VRES_I	Ingresso	16	—	Risoluzione verticale dell'immagine in ingresso. Deve essere multiplo di 16.
QP_I	Ingresso	6	—	Fattore di qualità per la quantizzazione H.264. Il valore è compreso tra 0 e 51 dove 0 rappresenta la qualità più alta e la compressione più bassa e 51 rappresenta la compressione più alta.
DATI_O	Produzione	8	—	Output di dati codificati H.264 che contiene unità NAL, intestazione slice, SPS, PPS e dati codificati di blocchi macro.
DATA_VALID_O	Produzione	1	—	Il segnale che indica i dati codificati è valido.

1.2 Parametri di configurazione
L'IP dell'encoder I-Frame H.264 non utilizza parametri di configurazione.
1.3 Implementazione hardware dell'IP dell'encoder I-Frame H.264
La figura seguente mostra il diagramma a blocchi IP dell'encoder I-Frame H.264.
Figura 1-2. Diagramma a blocchi IP dell'encoder I-Frame H.264

1.3.1 Descrizione del progetto per H.264 I-Frame Encoder IP
Questa sezione descrive i diversi moduli interni dell'IP H.264 I-Frame Generator. I dati immessi nell'IP devono essere sotto forma di un'immagine di scansione raster in formato YCbCr 422. L'IP utilizza il formato 422 come input e implementa la compressione nel formato 420.
1.3.1.1 Matrix Framer 16×16
Questo modulo inquadra i blocchi macro 16×16 per il componente Y secondo la specifica H.264. I buffer di linea vengono utilizzati per memorizzare 16 linee orizzontali dell'immagine di input e una matrice 16 × 16 è incorniciata utilizzando registri a scorrimento.
1.3.1.2 Matrix Framer 8×8
Questo modulo inquadra i blocchi macro 8×8 per il componente C secondo la specifica H.264 per il formato 420. I buffer di linea vengono utilizzati per memorizzare 8 righe orizzontali dell'immagine di input e una matrice 8 × 16 viene incorniciata utilizzando registri a scorrimento. Dalla matrice 8×16, i componenti Cb e Cr sono separati per inquadrare ciascuna matrice 8×8.
1.3.1.3 Matrix Framer 4×4
La trasformata intera, la quantizzazione e la codifica CAVLC operano su un sottoblocco 4×4 all'interno di un blocco macro. Il framer a matrice 4×4 genera un sottoblocco 4×4 da un blocco macro 16×16 o 8×8. Questo generatore di matrici attraversa tutti i sottoblocchi di un blocco macro prima di passare al blocco macro successivo.
1.3.1.4 Previsione Intra
H.264 utilizza varie modalità di intra-previsione per ridurre le informazioni in un blocco 4×4. Il blocco intra-previsione nell'IP utilizza solo la previsione DC su una dimensione della matrice 4×4. La componente DC viene calcolata dai blocchi 4×4 adiacenti superiore e sinistro.
1.3.1.5 Trasformazione di numeri interi
H.264 utilizza la trasformata coseno discreta intera in cui i coefficienti sono distribuiti attraverso la matrice di trasformata intera e la matrice di quantizzazione in modo tale che non vi siano moltiplicazioni o divisioni nella trasformata intera. La trasformata intera stage implementa la trasformazione utilizzando le operazioni di spostamento e aggiunta.
1.3.1.6 Quantizzazione
La quantizzazione moltiplica ogni output della trasformata intera con un valore di quantizzazione predeterminato definito dal valore di input dell'utente QP. L'intervallo del valore QP è compreso tra 0 e 51. Qualsiasi valore superiore a 51 è clamped a 51. Un valore QP inferiore denota una compressione inferiore e una qualità superiore e viceversa.
1.3.1.7 CAVC
H.264 utilizza due tipi di codifica entropica: la codifica adattiva a lunghezza variabile del contesto (CAVLC) e la codifica aritmetica binaria adattiva al contesto (CABAC). L'IP utilizza CAVLC per codificare l'uscita quantizzata.
1.3.1.8 Generatore di intestazione
Il blocco del generatore di intestazione genera le intestazioni dei blocchi, le intestazioni delle sezioni, l'insieme di parametri di sequenza (SPS), l'insieme di parametri dell'immagine (PPS) e l'unità NAL (Network Abstraction Layer) a seconda dell'istanza del frame video.
1.3.1.9 Generatore di stream H.264
Il blocco generatore di flusso H.264 combina l'output CAVLC con le intestazioni per creare l'output codificato secondo il formato standard H.264.

Banco di prova

Testbench è fornito per verificare la funzionalità di H.264 I-Frame Encoder IP.
2.1 Simulazione
La simulazione utilizza un'immagine 224×224 in formato YCbCr422 rappresentata da due files, ciascuno per Y e C come input e genera un H.264 file formato che contiene due frame. I passaggi seguenti descrivono come simulare il core utilizzando il testbench.
1. Vai su Catalogo SoC Libero® > View > Windows > Catalogo, quindi espandi Soluzioni-Video. Fare doppio clic su H264_Iframe_Encoder, quindi fare clic su OK.
Figura 2-1. H.264 I-Frame Encoder IP Core nel catalogo SoC Libero2. Vai al Filescheda s e selezionare simulazione > Importa Files.
Figura 2-2. Importare Files3. Importa H264_sim_data_in_y.txt, H264_sim_data_in_c.txt e H264_refOut.txt files dal seguente percorso: ..\ \component\Microsemi\SolutionCore\H264_Iframe_Encoder\ 1.0.0\Stimulus.
4. Per importare un file diverso file, sfoglia la cartella che contiene il file richiesto filee fare clic su Apri. L'importato file è elencato in simulazione, vedere la figura seguente.
Figura 2-3. Importato Files5. Vai alla scheda Stimulus Hierarchy e seleziona H264_frame_Encoder_tb (H264_frame_Encoder_tb. v) > Simulate Pre-Synth Design > Open Interactively. L'IP è simulato per due frame.
Figura 2-4. Simulazione del design di pre-sintesi ModelSim si apre con il banco di prova file come mostrato nella figura seguente.
Figura 2-5. Finestra di simulazione ModelSim
Nota:  Se la simulazione viene interrotta a causa del limite di tempo di esecuzione specificato nel DO file, utilizzare il comando run -all per completare la simulazione.

Licenza

H.264 I-Frame Encoder IP viene fornito in forma crittografata solo su licenza.

Istruzioni per l'installazione

Il core deve essere installato nel software Libero SoC. Viene eseguito automaticamente tramite la funzione di aggiornamento del catalogo nel software Libero SoC, o il CPZ file può essere aggiunto manualmente utilizzando la funzione Aggiungi catalogo principale. Quando il CPZ file è installato in Libero, il core può essere configurato, generato e istanziato all'interno di SmartDesign per l'inclusione nel progetto Libero.
Per ulteriori istruzioni sull'installazione del core, sulla licenza e sull'uso generale, consultare la Guida in linea del SoC Libero.

Utilizzo delle risorse

La tabella seguente elenca l'utilizzo delle risorse di asample H.264 I-Frame Encoder IP design realizzato per PolarFire FPGA (pacchetto MPF300TS-1FCG1152I) e genera dati compressi utilizzando 4:2:2 sampling dei dati di input.
Tabella 5-1. Utilizzo delle risorse dell'IP dell'encoder I-Frame H.264

Elemento	Utilizzo
4LUT	15160
DFF	15757
LSRAM	67
µSRAM	23
Blocchi matematici	18
Interfaccia LUT a 4 ingressi	3336
DFF di interfaccia	3336

Cronologia delle revisioni

La tabella della cronologia delle revisioni descrive le modifiche che sono state implementate nel documento. Le modifiche sono elencate per revisione, a partire dalla pubblicazione più recente.

Revisione	Data	Descrizione
B	06/2022	Modificato il titolo da "PolarFire FPGA H.264 Encoder IP User Guide" a "PolarFire FPGA H.264 I-Frame Encoder IP User Guide".
A	01/2022	La prima pubblicazione del documento.

Supporto FPGA per microchip

Il gruppo di prodotti Microchip FPGA supporta i propri prodotti con vari servizi di supporto, tra cui Servizio clienti, Centro assistenza tecnica clienti, a websito e uffici vendite in tutto il mondo. Si consiglia ai clienti di visitare le risorse online di Microchip prima di contattare l'assistenza poiché è molto probabile che le loro domande abbiano già ricevuto risposta.
Contattare il Centro di assistenza tecnica tramite il websito a www.microchip.com/support. Menziona il numero di parte del dispositivo FPGA, seleziona la categoria di custodia appropriata e carica il design files durante la creazione di un caso di supporto tecnico.
Contatta il servizio clienti per assistenza non tecnica sui prodotti, ad esempio prezzi dei prodotti, aggiornamenti dei prodotti, informazioni sull'aggiornamento, stato dell'ordine e autorizzazione.

• Dal Nord America, chiamare 800.262.1060
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Informazioni sul microchip

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• Supporto prodotto – Schede tecniche ed errata, note applicative e sampprogrammi, risorse di progettazione, guide per l'utente e documenti di supporto hardware, ultime versioni software e software archiviato
• Supporto tecnico generale – Domande frequenti (FAQ), richieste di supporto tecnico, gruppi di discussione online, elenco dei membri del programma dei partner di progettazione Microchip
• Affari di Microchip – Guide per la selezione e l'ordinazione dei prodotti, ultimi comunicati stampa di Microchip, elenco di seminari ed eventi, elenco di uffici vendita, distributori e rappresentanti di fabbrica di Microchip

Servizio di notifica di modifica del prodotto
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Assistenza clienti
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• Distributore o rappresentante
• Ufficio Commerciale Locale
• Ingegnere di soluzioni integrate (ESE)
• Supporto tecnico

I clienti devono contattare il loro distributore, rappresentante o ESE per ricevere supporto. Sono disponibili anche uffici vendite locali per aiutare i clienti. Un elenco di uffici vendite e sedi è incluso in questo documento.
Il supporto tecnico è disponibile tramite websito a: www.microchip.com/support

Funzionalità di protezione del codice dei dispositivi a microchip

Nota i seguenti dettagli della funzione di protezione del codice sui prodotti Microchip:

• I prodotti Microchip soddisfano le specifiche contenute nella rispettiva scheda tecnica Microchip.
• Microchip ritiene che la sua famiglia di prodotti sia sicura se utilizzata nel modo previsto, nel rispetto delle specifiche operative e in condizioni normali.
• Microchip apprezza e protegge in modo aggressivo i suoi diritti di proprietà intellettuale. I tentativi di violare le funzionalità di protezione del codice del prodotto Microchip sono severamente vietati e possono violare il Digital Millennium Copyright Act.
• Né Microchip né alcun altro produttore di semiconduttori può garantire la sicurezza del suo codice. La protezione del codice non significa che stiamo garantendo che il prodotto sia "indistruttibile". La protezione del codice è in continua evoluzione. Microchip si impegna a migliorare costantemente le funzionalità di protezione del codice dei nostri prodotti.

Note legali

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DS60001756B

Documenti / Risorse

MICROCHIP PolarFire H.264 I-Frame Codificatore IP [pdf] Guida utente IP codificatore I-Frame PolarFire H.264, IP codificatore I-Frame PolarFire H.264, IP codificatore

Riferimenti

• Manuale d'uso