Microchip PolarFire® FPGA H.264 編碼器 IP 用戶指南
介紹
H.264 是一種流行的視頻壓縮標準，用於壓縮數字視頻。 它也稱為 MPEG-4 Part10 或高級視頻編碼 (MPEG-4 AVC)。 H.264 使用塊方式來壓縮視頻，其中塊大小定義為 16×16，這樣的塊稱為宏塊。 壓縮標準支持各種專業files 定義了壓縮比和實現的複雜性。 待壓縮的視頻幀按I幀、P幀和B幀處理。 I 幀是幀內編碼幀，其中使用幀內包含的信息進行壓縮。 解碼 I 幀不需要其他幀。 AP 幀通過使用相對於可以是 I 幀或 P 幀的較早幀的更改來壓縮。 B 幀的壓縮是通過使用相對於較早幀和即將到來的幀的運動變化來完成的。
I幀壓縮過程有四個stages——幀內預測、整數變換、量化和熵編碼。 H.264 支持兩種類型的編碼——上下文自適應可變長度編碼 (CAVLC) 和上下文自適應二進制算術編碼 (CABAC)。 當前版本的IP實現了Baseline profile 並使用 CAVLC 進行熵編碼。 此外，IP 僅支持對 I 幀進行編碼。
主要特點
- 對 YCbCr 420 視頻格式實施壓縮
- 期望 YCbCr 422 視頻格式的輸入
- 每個分量（Y、Cb 和 Cr）支持 8 位
- 符合 ITU-T H.264 Annex B 標準的 NAL 字節流輸出
- 不需要獨立操作、CPU 或處理器協助
- 運行時用戶可配置的品質因數 QP
- 以每時鐘 1 個像素的速率計算
- 支持分辨率高達 1080p 60 fps 的壓縮。
支持的家庭
- PolarFire® SoC FPGA
- PolarFire® FPGA
硬件實現
下圖顯示了 H.264 I 幀編碼器 IP 框圖。
圖 1-1。 H.264 I 幀編碼器 IP 框圖
輸入和輸出
下表列出了 H.264 Frame Encoder IP 的輸入和輸出端口。
表 1-1。 H.264 I Frame Encoder IP的輸入輸出端口
| 訊號名稱 | 方向 | 寬度 | 港口 有效的 在下面 | 描述 |
| 復位_N | 輸入 | 1 | — | 設計的低電平有效異步復位信號。 |
| 系統時鐘 | 輸入 | 1 | — | 輸入像素的輸入時鐘amp引領。 |
| 數據_Y_I | 輸入 | 8 | — | 8 格式的 422 位 Luma 像素輸入。 |
| 數據_C_I | 輸入 | 8 | — | 8 格式的 422 位色度像素輸入。 |
| 數據有效_I | 輸入 | 1 | — | 輸入像素數據有效信號。 |
| FRAME_END_I | 輸入 | 1 | — | 幀結束指示。 |
| FRAME_START_I | 輸入 | 1 | — | 幀開始指示。 該信號的上升沿被認為是幀開始。 |
| HRES_I | 輸入 | 16 | — | 輸入圖像的水平分辨率。 它必須是 16 的倍數。 |
| VRES_I | 輸入 | 16 | — | 輸入圖像的垂直分辨率。 它必須是 16 的倍數。 |
| QP_I | 輸入 | 6 | — | H.264 量化的品質因數。 取值範圍為 0 到 51，其中 0 代表最高質量和最低壓縮，51 代表最高壓縮。 |
| 數據_O | 輸出 | 8 | — | H.264 編碼數據輸出，包含 NAL 單元、切片頭、SPS、PPS 和宏塊的編碼數據。 |
| 數據有效_O | 輸出 | 1 | — | 表示編碼數據的信號是有效的。 |
配置參數
H.264 I 幀編碼器 IP 不使用配置參數。
H.264 I 幀編碼器 IP 的硬件實現
下圖顯示了 H.264 I 幀編碼器 IP 框圖。
圖 1-2。 H.264 I 幀編碼器 IP 框圖
H.264 I 幀編碼器 IP 的設計說明
本節介紹 H.264 I 幀生成器 IP 的不同內部模塊。 輸入到 IP 的數據必須採用 YCbCr 422 格式的光柵掃描圖像的形式。 IP使用422格式作為輸入，以420格式實現壓縮。
16×16矩陣成幀器
該模塊按照 H.16 規範為 Y 分量構建 16×264 宏塊。 行緩衝區用於存儲輸入圖像的 16 條水平線，並使用移位寄存器構成 16×16 矩陣。
8×8矩陣成幀器
該模塊根據 H.8 規範為 8 格式構建用於 C 組件的 264×420 宏塊。 行緩衝器用於存儲輸入圖像的 8 條水平線，並使用移位寄存器構成 8×16 矩陣。 從 8×16 矩陣中，分離出 Cb 和 Cr 分量以構成每個 8×8 矩陣。
4×4矩陣成幀器
整數變換、量化和 CAVLC 編碼對宏塊內的 4×4 子塊進行操作。 4×4 矩陣成幀器從 4×4 或 16×16 宏塊生成 8×8 子塊。 該矩陣生成器在進入下一個宏塊之前跨越一個宏塊的所有子塊。
幀內預測
H.264 使用各種幀內預測模式來減少 4×4 塊中的信息。 IP 中的幀內預測塊僅使用 4×4 矩陣大小的 DC 預測。 DC 分量是從相鄰的頂部和左側 4×4 塊計算的。
整數變換
H.264 使用整數離散餘弦變換，其中係數分佈在整數變換矩陣和量化矩陣中，因此整數變換中沒有乘法或除法。 整數變換 stage 使用 shift 和 add 操作實現轉換。
量化
量化將整數變換的每個輸出與由 QP 用戶輸入值定義的預定量化值相乘。 QP 值的範圍是 0 到 51。任何大於 51 的值都是 clamped 到 51。較低的 QP 值表示較低的壓縮和較高的質量，反之亦然。
CAVLC
H.264 使用兩種類型的熵編碼——上下文自適應可變長度編碼 (CAVLC) 和上下文自適應二進制算術編碼 (CABAC)。 IP 使用 CAVLC 對量化輸出進行編碼。
標題生成器
標頭生成器塊根據視頻幀的實例生成塊標頭、切片標頭、序列參數集 (SPS)、圖片參數集 (PPS) 和網絡抽象層 (NAL) 單元。
H.264 流發生器
H.264 流生成器塊將 CAVLC 輸出與標頭組合在一起，以根據 H.264 標準格式創建編碼輸出。
試驗台
提供測試平台來檢查 H.264 I 幀編碼器 IP 的功能。
模擬
模擬使用 YCbCr224 格式的 224×422 圖像，由兩個表示 files，分別以 Y 和 C 作為輸入並生成一個 H.264 file 包含兩個幀的格式。 以下步驟描述瞭如何使用測試平台模擬內核。
- 轉到 Libero SoC 目錄 > View > Windows > 目錄，然後展開解決方案-視頻。 雙擊 H264_Iframe_Encoder，然後單擊確定。
圖 2-1。 Libero SoC 目錄中的 H.264 I 幀編碼器 IP 內核 - 前往 Files 選項卡並選擇 模擬 > 進口 Files.
圖 2-2。 進口 Files - 導入 H264_sim_data_in_y.txt、H264_sim_data_in_c.txt 和 H264_refOut.txt files 來自以下路徑：..\\component\Microsemi\SolutionCore\H264_Iframe_Encoder\1.0.0\Stimulus。
- 導入不同的 file, 瀏覽包含所需文件的文件夾 file，然後單擊打開。 進口的 file 列在仿真下，見下圖。
圖 2-3。 進口的 Files - 去刺激 等級制度 選項卡並選擇 H264_frame_Encoder_tb (H264_frame_Encoder_tb.v) >
模擬預合成器設計 > 交互式打開。 IP 模擬兩幀。
圖 2-4。 模擬預綜合設計
ModelSim 打開測試台 file 如下圖所示。
圖 2-5。 ModelSim 仿真窗口
筆記： 如果模擬由於 DO 中指定的運行時間限製而中斷 file，使用run -all命令完成模擬。
執照
H.264 I 幀編碼器 IP 僅在許可下以加密形式提供。
安裝說明
內核必須安裝到 Libero SoC 軟件中。 它是通過 Libero SoC 軟件或 CPZ 中的目錄更新功能自動完成的 file 可以使用添加核心目錄功能手動添加。 當 CPZ file 安裝在 Libero 中，可以在 SmartDesign 中配置、生成和實例化核心，以包含在 Libero 項目中。
有關核心安裝、許可和一般使用的更多說明，請參閱 Libero SoC 在線幫助。
資源利用
下表列出了 as 的資源利用率ample H.264 I frame Encoder IP設計為PolarFire FPGA（MPF300TS-1FCG1152I封裝），使用4:2:2 s生成壓縮數據amp輸入數據。
表 5-1。 H.264 I 幀編碼器 IP 的資源利用
| 元素 | 用法 |
| 4LUT | 15160 |
| DFF | 15757 |
| 大容量靜態隨機存取存儲器 | 67 |
| 微靜態隨機存取存儲器 | 23 |
| 數學積木 | 18 |
| 接口 4 輸入 LUT | 3336 |
| 接口 DFF | 3336 |
修訂歷史
修訂歷史表描述了文檔中實施的更改。 更改按修訂列出，從最新的出版物開始。
| 修訂 | 日期 | 描述 |
| A | 01/2022 | 該文件的首次發布。 |
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台灣 – 台北
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泰國 – 曼谷
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丹麥 – 哥本哈根
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芬蘭 – 埃斯波
電話：358-9-4520-820
法國 – 巴黎
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德國 – 加興
電話：49-8931-9700
德國 – 漢
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德國 – 海爾布隆
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德國——卡爾斯魯厄
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德國 – 慕尼黑
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德國——羅森海姆
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以色列——拉阿納納
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意大利——米蘭
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