Guia do Usuário do Codificador IP Microchip PolarFire® FPGA H.264
Introdução
H.264 é um padrão de compressão de vídeo popular para compressão de vídeo digital. Também é conhecido como MPEG-4 Part10 ou Advanced Video Coding (MPEG-4 AVC). O H.264 usa a abordagem de blocos para compactar o vídeo, onde o tamanho do bloco é definido como 16×16 e esse bloco é chamado de bloco macro. O padrão de compressão suporta vários profissionaisfiles que definem a taxa de compactação e a complexidade da implementação. Os quadros de vídeo a serem compactados são tratados como quadro I, quadro P e quadro B. Um quadro I é um quadro intracodificado onde a compressão é feita usando as informações contidas no quadro. Nenhum outro quadro é necessário para decodificar um quadro I. O quadro AP é compactado usando as alterações em relação a um quadro anterior que pode ser um quadro I ou um quadro P. A compressão do quadro B é feita usando as mudanças de movimento em relação a um quadro anterior e a um quadro futuro.
O processo de compressão de quadro I tem quatro stages—Previsão Intra, Transformação Inteira, Quantização e Codificação de Entropia. H.264 suporta dois tipos de codificação—Codificação de Comprimento Variável Adaptável ao Contexto (CAVLC) e Codificação Aritmética Binária Adaptável ao Contexto (CABAC). A versão atual do IP implementa o Baseline profile e usa CAVLC para codificação de entropia. Além disso, o IP suporta a codificação apenas de quadros I.
Principais características
- Implementa compactação no formato de vídeo YCbCr 420
- Espera a entrada no formato de vídeo YCbCr 422
- Suporta 8 bits para cada componente (Y, Cb e Cr)
- Saída de fluxo de bytes NAL compatível com ITU-T H.264 Anexo B
- Operação autônoma, CPU ou assistência do processador não é necessária
- Fator de qualidade QP configurável pelo usuário durante o tempo de execução
- Computação na taxa de 1 pixel por clock
- Suporta compressão até resolução de 1080p 60 fps.
Famílias suportadas
- FPGA SoC PolarFire®
- FPGA PolarFire®
Implementação de Hardware
A figura a seguir mostra o diagrama de blocos IP do codificador de quadro H.264 I.
Figura 1-1. Diagrama de bloco de IP do codificador de quadro H.264 I
Entradas e Saídas
A tabela a seguir lista as portas de entrada e saída do IP do codificador de quadro H.264.
Tabela 1-1. Portas de entrada e saída do IP do codificador de quadro H.264 I
| Nome do sinal | Direção | Largura | Porta Válido Sob | Descrição |
| RESET_N | Entrada | 1 | — | Sinal de reset assíncrono ativo-baixo para o projeto. |
| SYS_CLK | Entrada | 1 | — | Relógio de entrada com o qual os pixels de entrada são sampliderado. |
| DADOS_Y_I | Entrada | 8 | — | Entrada de pixel Luma de 8 bits no formato 422. |
| DADOS_C_I | Entrada | 8 | — | Entrada de pixel Chroma de 8 bits no formato 422. |
| DATA_VALID_I | Entrada | 1 | — | Sinal válido de dados de pixel de entrada. |
| FRAME_END_I | Entrada | 1 | — | Indicação de fim de quadro. |
| FRAME_START_I | Entrada | 1 | — | Indicação de início de quadro. A borda de subida deste sinal é considerada como início do quadro. |
| HRES_I | Entrada | 16 | — | Resolução horizontal da imagem de entrada. Deve ser múltiplo de 16. |
| VRES_I | Entrada | 16 | — | Resolução vertical da imagem de entrada. Deve ser múltiplo de 16. |
| QP_I | Entrada | 6 | — | Fator de qualidade para quantização H.264. O valor varia de 0 a 51, onde 0 representa a maior qualidade e a menor compactação e 51 representa a maior compactação. |
| DADOS_O | Saída | 8 | — | Saída de dados codificados H.264 que contém unidade NAL, cabeçalho de fatia, SPS, PPS e os dados codificados de blocos de macro. |
| DATA_VALID_O | Saída | 1 | — | O sinal que denota os dados codificados é válido. |
Parâmetros de configuração
O IP do codificador de quadro H.264 I não usa parâmetros de configuração.
Implementação de hardware de H.264 I Frame Encoder IP
A figura a seguir mostra o diagrama de blocos IP do codificador de quadro H.264 I.
Figura 1-2. Diagrama de bloco de IP do codificador de quadro H.264 I
Descrição do projeto para H.264 I Frame Encoder IP
Esta seção descreve os diferentes módulos internos do IP do gerador de quadros H.264 I. A entrada de dados para o IP deve estar na forma de uma imagem de varredura raster no formato YCbCr 422. O IP usa o formato 422 como entrada e implementa a compactação no formato 420.
Moldura de Matriz 16×16
Este módulo enquadra os blocos de macro 16×16 para o componente Y conforme a especificação H.264. Os buffers de linha são usados para armazenar 16 linhas horizontais de imagem de entrada e uma matriz 16×16 é enquadrada usando registradores de deslocamento.
Moldura de Matriz 8×8
Este módulo enquadra os blocos de macro 8×8 para o componente C conforme a especificação H.264 para o formato 420. Os buffers de linha são usados para armazenar 8 linhas horizontais de imagem de entrada e uma matriz 8×16 é enquadrada usando registradores de deslocamento. A partir da matriz 8×16, os componentes Cb e Cr são separados para enquadrar cada matriz 8×8.
Moldura de Matriz 4×4
A transformação inteira, quantização e codificação CAVLC operam em um sub-bloco 4×4 dentro de um bloco macro. O framer de matriz 4×4 gera um sub-bloco 4×4 a partir do bloco macro 16×16 ou 8×8. Este gerador de matriz abrange todos os sub-blocos de um bloco de macro antes de ir para o próximo bloco de macro.
Previsão interna
O H.264 usa vários modos de intraprevisão para reduzir as informações em um bloco 4×4. O bloco intraprevisão no IP usa apenas a previsão DC no tamanho da matriz 4×4. O componente DC é calculado a partir dos blocos 4×4 superiores e esquerdos adjacentes.
Transformação inteira
O H.264 usa a transformada de cosseno discreta inteira onde os coeficientes são distribuídos pela matriz de transformada inteira e a matriz de quantização de modo que não haja multiplicações ou divisões na transformada inteira. A transformação inteira stage implementa a transformação usando as operações shift e add.
Quantização
A quantização multiplica cada saída da transformada inteira com um valor de quantização predeterminado definido pelo valor de entrada do usuário QP. O intervalo do valor QP é de 0 a 51. Qualquer valor maior que 51 é clamped para 51. Um valor QP mais baixo denota menor compactação e maior qualidade e vice-versa.
CAVLC
O H.264 usa dois tipos de codificação de entropia — Codificação de Comprimento Variável Adaptável ao Contexto (CAVLC) e Codificação Aritmética Binária Adaptável ao Contexto (CABAC). O IP usa CAVLC para codificar a saída quantizada.
Gerador de cabeçalho
O bloco gerador de cabeçalho gera os cabeçalhos de bloco, cabeçalhos de fatia, Sequence Parameter Set (SPS), Picture Parameter Set (PPS) e unidade de Network Abstraction Layer (NAL), dependendo da instância do quadro de vídeo.
Gerador de fluxo H.264
O bloco gerador de fluxo H.264 combina a saída CAVLC com os cabeçalhos para criar a saída codificada de acordo com o formato padrão H.264.
Bancada
Testbench é fornecido para verificar a funcionalidade do IP do codificador de quadro H.264 I.
Simulação
A simulação usa uma imagem 224×224 no formato YCbCr422 representada por dois files, cada um para Y e C como entrada e gera um H.264 file formato que contém dois quadros. As etapas a seguir descrevem como simular o núcleo usando o testbench.
- Vá para o Catálogo Libero SoC > View > Windows > Catálogo e expanda Soluções-Vídeo. Clique duas vezes em H264_Iframe_Encoder e clique em OK.
Figura 2-1. H.264 I Frame Encoder IP Core no Catálogo Libero SoC - Vá para o Fileguia e selecione simulação > Importar Files.
Figura 2-2. Importar Files - Importe os arquivos H264_sim_data_in_y.txt, H264_sim_data_in_c.txt e H264_refOut.txt files do seguinte caminho: ..\\component\Microsemi\SolutionCore\ H264_Iframe_Encoder\ 1.0.0\Stimulus.
- Para importar outro file, procure a pasta que contém os filee clique em Abrir. O importado file está listado em simulação, veja a figura a seguir.
Figura 2-3. Importado Files - Vá para o estímulo Hierarquia tab e selecione H264_frame_Encoder_tb (H264_frame_Encoder_tb. v) >
Simular design pré-sintetizador > Abrir interativamente. O IP é simulado para dois quadros.
Figura 2-4. Simulando o projeto de pré-síntese
ModelSim abre com o testbench file conforme mostrado na figura a seguir.
Figura 2-5. Janela de Simulação ModelSim
Observação: Se a simulação for interrompida devido ao limite de tempo de execução especificado no DO file, use o comando run -all para concluir a simulação.
Licença
O IP do codificador de quadro H.264 I é fornecido de forma criptografada somente sob licença.
Instruções de instalação
O núcleo deve ser instalado no software Libero SoC. É feito automaticamente através da função de atualização do Catálogo no software Libero SoC, ou o CPZ file pode ser adicionado manualmente usando o recurso de catálogo Adicionar Core. Quando o CPZ file é instalado no Libero, o núcleo pode ser configurado, gerado e instanciado no SmartDesign para inclusão no projeto Libero.
Para obter mais instruções sobre instalação de núcleo, licenciamento e uso geral, consulte Ajuda Online do Libero SoC.
Utilização de recursos
A tabela a seguir lista a utilização de recursos de comoample H.264 I frame Encoder Design IP feito para PolarFire FPGA (pacote MPF300TS-1FCG1152I) e gera dados compactados usando 4:2:2 sampling de dados de entrada.
Tabela 5-1. Utilização de recursos do IP do codificador de quadro H.264 I
| Elemento | Uso |
| 4LUTs | 15160 |
| DFFs | 15757 |
| LSRAM | 67 |
| μSRAM | 23 |
| Blocos matemáticos | 18 |
| LUTs de interface de 4 entradas | 3336 |
| DFFs de interface | 3336 |
Histórico de revisão
A tabela de histórico de revisões descreve as mudanças que foram implementadas no documento. As alterações são listadas por revisão, começando com a publicação mais atual.
| Revisão | Data | Descrição |
| A | 01/2022 | A primeira publicação do documento. |
Suporte a microchips FPGA
O grupo de produtos Microchip FPGA apoia seus produtos com vários serviços de suporte, incluindo Atendimento ao Cliente, Centro de Suporte Técnico ao Cliente, website e escritórios de vendas em todo o mundo. Sugere-se que os clientes visitem os recursos on-line da Microchip antes de entrar em contato com o suporte, pois é muito provável que suas dúvidas já tenham sido respondidas.
Entre em contato com o Centro de Suporte Técnico através do website em www.microchip.com/support. Mencione o número de peça do dispositivo FPGA, selecione a categoria de caso apropriada e carregue o design files ao criar um caso de suporte técnico.
Entre em contato com o Atendimento ao cliente para obter suporte não técnico ao produto, como preços de produtos, atualizações de produtos, informações de atualização, status do pedido e autorização.
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Austrália – Sydney
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China – Pequim
Telefone: 86-10-8569-7000
China-Chengdu
Telefone: 86-28-8665-5511
China – Chongqing
Telefone: 86-23-8980-9588
China – Dongguan
Telefone: 86-769-8702-9880
China – Cantão
Telefone: 86-20-8755-8029
China – Hangzhou
Telefone: 86-571-8792-8115
China – RAE de Hong Kong
Telefone: 852-2943-5100
China – Nanquim
Telefone: 86-25-8473-2460
China-Qingdao
Telefone: 86-532-8502-7355
China – Xangai
Telefone: 86-21-3326-8000
China-Shenyang
Telefone: 86-24-2334-2829
China – Shenzen
Telefone: 86-755-8864-2200
China – Suzhou
Telefone: 86-186-6233-1526
China-Wuhan
Telefone: 86-27-5980-5300
China –Xian
Telefone: 86-29-8833-7252
China – Xiamen
Telefone: 86-592-2388138
China-Zhuhai
Telefone: 86-756-3210040
Índia – Bangalore
Telefone: 91-80-3090-4444
Índia – Nova Deli
Telefone: 91-11-4160-8631
Índia - Pune
Telefone: 91-20-4121-0141
Japão – Osaka
Telefone: 81-6-6152-7160
Japão – Tóquio
Telefone: 81-3-6880-3770
Coreia – Daegu
Telefone: 82-53-744-4301
Coreia – Seul
Telefone: 82-2-554-7200
Malásia – Kuala Lumpur
Telefone: 60-3-7651-7906
Malásia – Penang
Telefone: 60-4-227-8870
Filipinas – Manila
Telefone: 63-2-634-9065
Cingapura
Telefone: 65-6334-8870
Taiwan-Hsin Chu
Telefone: 886-3-577-8366
Taiwan – Kaohsiung
Telefone: 886-7-213-7830
Taiwan – Taipé
Telefone: 886-2-2508-8600
Tailândia – Bangkok
Telefone: 66-2-694-1351
Vietnã – Ho Chi Minh
Telefone: 84-28-5448-2100
EUROPA
Áustria – Wels
Telefone: 43-7242-2244-39
Fax: 43-7242-2244-393
Dinamarca – Copenhague
Telefone: 45-4485-5910
Fax: 45-4485-2829
Finlândia – Espoo
Telefone: 358-9-4520-820
França – Paris
Tel: 33-1-69-53-63-20
Fax: 33-1-69-30-90-79
Alemanha – Garching
Telefone: 49-8931-9700
Alemanha – Han
Telefone: 49-2129-3766400
Alemanha – Heilbronn
Telefone: 49-7131-72400
Alemanha – Karlsruhe
Telefone: 49-721-625370
Alemanha – Munique
Tel: 49-89-627-144-0
Fax: 49-89-627-144-44
Alemanha – Rosenheim
Telefone: 49-8031-354-560
Israel – Ra'anana
Telefone: 972-9-744-7705
Itália – Milão
Telefone: 39-0331-742611
Fax: 39-0331-466781
Itália – Pádua
Telefone: 39-049-7625286
Holanda – Drunen
Telefone: 31-416-690399
Fax: 31-416-690340
Noruega – Trondheim
Telefone: 47-72884388
Polônia – Varsóvia
Telefone: 48-22-3325737
Romênia – Bucareste
Tel: 40-21-407-87-50
Espanha – Madri
Tel: 34-91-708-08-90
Fax: 34-91-708-08-91
Suécia – Gotemburgo
Tel: 46-31-704-60-40
Suécia – Estocolmo
Telefone: 46-8-5090-4654
Reino Unido – Wokingham
Telefone: 44-118-921-5800
Fax: 44-118-921-5820
Documentos / Recursos
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Microchip PolarFire® FPGA H.264 Codificador IP [pdf] Guia do Usuário Codificador PolarFire FPGA, Codificador H.264, Codificador FPGA H.264, Codificador IPIP |
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MICROCHIP PolarFire FPGA H.264 Codificador IP [pdf] Guia do Usuário PolarFire FPGA H.264 Codificador IP, PolarFire FPGA, Codificador H.264 IP |
