Microchip PolarFire® FPGA H.264 编码器 IP 用户指南
介绍
H.264 是一种流行的视频压缩标准，用于压缩数字视频。 它也称为 MPEG-4 Part10 或高级视频编码 (MPEG-4 AVC)。 H.264 使用块方式来压缩视频，其中块大小定义为 16×16，这样的块称为宏块。 压缩标准支持各种专业files 定义了压缩比和实现的复杂性。 待压缩的视频帧按I帧、P帧和B帧处理。 I 帧是帧内编码帧，其中使用帧内包含的信息进行压缩。 解码 I 帧不需要其他帧。 AP 帧通过使用相对于可以是 I 帧或 P 帧的较早帧的更改来压缩。 B 帧的压缩是通过使用相对于较早帧和即将到来的帧的运动变化来完成的。
I帧压缩过程有四个stages——帧内预测、整数变换、量化和熵编码。 H.264 支持两种类型的编码——上下文自适应可变长度编码 (CAVLC) 和上下文自适应二进制算术编码 (CABAC)。 当前版本的IP实现了Baseline profile 并使用 CAVLC 进行熵编码。 此外，IP 仅支持对 I 帧进行编码。
主要特点
- 对 YCbCr 420 视频格式实施压缩
- 期望 YCbCr 422 视频格式的输入
- 每个分量（Y、Cb 和 Cr）支持 8 位
- 符合 ITU-T H.264 Annex B 标准的 NAL 字节流输出
- 不需要独立操作、CPU 或处理器协助
- 运行时用户可配置的品质因数 QP
- 以每时钟 1 个像素的速率计算
- 支持分辨率高达 1080p 60 fps 的压缩。
支持的家庭
- PolarFire® SoC FPGA
- PolarFire® FPGA
硬件实现
下图显示了 H.264 I 帧编码器 IP 框图。
图 1-1。 H.264 I 帧编码器 IP 框图
输入和输出
下表列出了 H.264 Frame Encoder IP 的输入和输出端口。
表 1-1。 H.264 I Frame Encoder IP的输入输出端口
| 信号名称 | 方向 | 宽度 | 港口 有效的 在下面 | 描述 |
| 复位_N | 输入 | 1 | — | 设计的低电平有效异步复位信号。 |
| 系统时钟 | 输入 | 1 | — | 输入像素的输入时钟amp引领。 |
| 数据_Y_I | 输入 | 8 | — | 8 格式的 422 位 Luma 像素输入。 |
| 数据_C_I | 输入 | 8 | — | 8 格式的 422 位色度像素输入。 |
| 数据有效_I | 输入 | 1 | — | 输入像素数据有效信号。 |
| FRAME_END_I | 输入 | 1 | — | 帧结束指示。 |
| FRAME_START_I | 输入 | 1 | — | 帧开始指示。 该信号的上升沿被认为是帧开始。 |
| HRES_I | 输入 | 16 | — | 输入图像的水平分辨率。 它必须是 16 的倍数。 |
| VRES_I | 输入 | 16 | — | 输入图像的垂直分辨率。 它必须是 16 的倍数。 |
| QP_I | 输入 | 6 | — | H.264 量化的品质因数。 取值范围为 0 到 51，其中 0 代表最高质量和最低压缩，51 代表最高压缩。 |
| 数据_O | 输出 | 8 | — | H.264 编码数据输出，包含 NAL 单元、切片头、SPS、PPS 和宏块的编码数据。 |
| 数据有效_O | 输出 | 1 | — | 表示编码数据的信号是有效的。 |
配置参数
H.264 I 帧编码器 IP 不使用配置参数。
H.264 I 帧编码器 IP 的硬件实现
下图显示了 H.264 I 帧编码器 IP 框图。
图 1-2。 H.264 I 帧编码器 IP 框图
H.264 I 帧编码器 IP 的设计说明
本节介绍 H.264 I 帧生成器 IP 的不同内部模块。 输入到 IP 的数据必须采用 YCbCr 422 格式的光栅扫描图像的形式。 IP使用422格式作为输入，以420格式实现压缩。
16×16矩阵成帧器
该模块按照 H.16 规范为 Y 分量构建 16×264 宏块。 行缓冲器用于存储输入图像的 16 条水平线，并使用移位寄存器构成 16×16 矩阵。
8×8矩阵成帧器
该模块根据 H.8 规范为 8 格式构建用于 C 组件的 264×420 宏块。 行缓冲器用于存储输入图像的 8 条水平线，并使用移位寄存器构成 8×16 矩阵。 从 8×16 矩阵中，分离出 Cb 和 Cr 分量以构成每个 8×8 矩阵。
4×4矩阵成帧器
整数变换、量化和 CAVLC 编码对宏块内的 4×4 子块进行操作。 4×4 矩阵成帧器从 4×4 或 16×16 宏块生成 8×8 子块。 该矩阵生成器在进入下一个宏块之前跨越一个宏块的所有子块。
帧内预测
H.264 使用各种帧内预测模式来减少 4×4 块中的信息。 IP 中的帧内预测块仅使用 4×4 矩阵大小的 DC 预测。 DC 分量是从相邻的顶部和左侧 4×4 块计算的。
整数变换
H.264 使用整数离散余弦变换，其中系数分布在整数变换矩阵和量化矩阵中，因此整数变换中没有乘法或除法。 整数变换 stage 使用 shift 和 add 操作实现转换。
量化
量化将整数变换的每个输出与由 QP 用户输入值定义的预定量化值相乘。 QP 值的范围是 0 到 51。任何大于 51 的值都是 clamped 到 51。较低的 QP 值表示较低的压缩和较高的质量，反之亦然。
CAVLC
H.264 使用两种类型的熵编码——上下文自适应可变长度编码 (CAVLC) 和上下文自适应二进制算术编码 (CABAC)。 IP 使用 CAVLC 对量化输出进行编码。
标题生成器
标头生成器块根据视频帧的实例生成块标头、切片标头、序列参数集 (SPS)、图片参数集 (PPS) 和网络抽象层 (NAL) 单元。
H.264 流发生器
H.264 流生成器块将 CAVLC 输出与标头组合在一起，以根据 H.264 标准格式创建编码输出。
试验台
提供测试平台来检查 H.264 I 帧编码器 IP 的功能。
模拟
模拟使用 YCbCr224 格式的 224×422 图像，由两个表示 files，分别以 Y 和 C 作为输入并生成一个 H.264 file 包含两个帧的格式。 以下步骤描述了如何使用测试平台模拟内核。
- 转到 Libero SoC 目录 > View > Windows > 目录，然后展开解决方案-视频。 双击 H264_Iframe_Encoder，然后单击确定。
图 2-1。 Libero SoC 目录中的 H.264 I 帧编码器 IP 内核 - 前往 Files 选项卡并选择 模拟 > 进口 Files.
图 2-2。 进口 Files - 导入 H264_sim_data_in_y.txt、H264_sim_data_in_c.txt 和 H264_refOut.txt files 来自以下路径：..\\component\Microsemi\SolutionCore\H264_Iframe_Encoder\1.0.0\Stimulus。
- 导入不同的 file, 浏览包含所需文件的文件夹 file，然后单击打开。 进口的 file 列在仿真下，见下图。
图 2-3。 进口的 Files - 去刺激 等级制度 选项卡并选择 H264_frame_Encoder_tb (H264_frame_Encoder_tb.v) >
模拟预合成器设计 > 交互式打开。 IP 模拟两帧。
图 2-4。 模拟预综合设计
ModelSim 打开测试台 file 如下图所示。
图 2-5。 ModelSim 仿真窗口
笔记： 如果模拟由于 DO 中指定的运行时间限制而中断 file，使用run -all命令完成模拟。
执照
H.264 I 帧编码器 IP 仅在许可下以加密形式提供。
安装说明
内核必须安装到 Libero SoC 软件中。 它是通过 Libero SoC 软件或 CPZ 中的目录更新功能自动完成的 file 可以使用添加核心目录功能手动添加。 当 CPZ file 安装在 Libero 中，可以在 SmartDesign 中配置、生成和实例化核心，以包含在 Libero 项目中。
有关核心安装、许可和一般使用的更多说明，请参阅 Libero SoC 在线帮助。
资源利用
下表列出了 as 的资源利用率ample H.264 I frame Encoder IP设计为PolarFire FPGA（MPF300TS-1FCG1152I封装），使用4:2:2 s生成压缩数据amp输入数据。
表 5-1。 H.264 I 帧编码器 IP 的资源利用
| 元素 | 用法 |
| 4LUT | 15160 |
| DFF | 15757 |
| 大容量静态随机存取存储器 | 67 |
| 微SRAM | 23 |
| 数学块 | 18 |
| 接口 4 输入 LUT | 3336 |
| 接口 DFF | 3336 |
修订历史
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| 修订 | 日期 | 描述 |
| A | 01/2022 | 该文件的首次发布。 |
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日本 – 东京
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韩国——大邱
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韩国 – 首尔
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马来西亚 – 吉隆坡
电话：60-3-7651-7906
马来西亚 – 槟城
电话：60-4-227-8870
菲律宾 – 马尼拉
电话：63-2-634-9065
新加坡
电话：65-6334-8870
台湾 – 新竹
电话：886-3-577-8366
台湾 – 高雄
电话：886-7-213-7830
台湾 – 台北
电话：886-2-2508-8600
泰国 – 曼谷
电话：66-2-694-1351
越南——胡志明
电话：84-28-5448-2100
欧洲
奥地利 - 韦尔斯
电话：43-7242-2244-39
传真：43-7242-2244-393
丹麦——哥本哈根
电话：45-4485-5910
传真：45-4485-2829
芬兰 – 埃斯波
电话：358-9-4520-820
法国——巴黎
Tel: 33-1-69-53-63-20
Fax: 33-1-69-30-90-79
德国——加兴
电话：49-8931-9700
德国 – 汉
电话：49-2129-3766400
德国——海尔布隆
电话：49-7131-72400
德国——卡尔斯鲁厄
电话：49-721-625370
德国——慕尼黑
Tel: 49-89-627-144-0
Fax: 49-89-627-144-44
德国——罗森海姆
电话：49-8031-354-560
以色列 – 拉阿纳纳
电话：972-9-744-7705
意大利——米兰
电话：39-0331-742611
传真：39-0331-466781
意大利——帕多瓦
电话：39-049-7625286
荷兰 – Drunen
电话：31-416-690399
传真：31-416-690340
挪威 – 特隆赫姆
电话：47-72884388
波兰 – 华沙
电话：48-22-3325737
罗马尼亚 - 布加勒斯特
Tel: 40-21-407-87-50
西班牙 – 马德里
Tel: 34-91-708-08-90
Fax: 34-91-708-08-91
瑞典——哥德堡
Tel: 46-31-704-60-40
瑞典——斯德哥尔摩
电话：46-8-5090-4654
英国 – 沃金厄姆
电话：44-118-921-5800
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文件/资源
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