MICROCHIP H.264-Encoder

Einführung
H.264 ist ein beliebter Videokomprimierungsstandard für die Komprimierung von digitalem Video. Er ist auch als MPEG-4 Part10 oder Advanced Video Coding (MPEG-4 AVC) bekannt. H.264 verwendet einen blockweisen Ansatz zur Komprimierung des Videos, wobei die Blockgröße als 16 x 16 definiert ist und als Makroblock bezeichnet wird. Der Komprimierungsstandard unterstützt verschiedene Profiles, die das Komprimierungsverhältnis und die Komplexität der Implementierung definieren. Die zu komprimierenden Videobilder werden als I-, P- und B-Bilder behandelt. Ein I-Bild ist ein intracodiertes Bild, bei dem die Komprimierung anhand der im Bild enthaltenen Informationen erfolgt. Zum Dekodieren eines I-Bilds sind keine anderen Bilder erforderlich. Ein P-Bild wird komprimiert, indem die Änderungen in Bezug auf ein früheres Bild verwendet werden, das ein I- oder P-Bild sein kann. Die Komprimierung eines B-Bilds erfolgt anhand der Bewegungsänderungen sowohl in Bezug auf ein früheres als auch auf ein nachfolgendes Bild.

Der I- und P-Frame-Komprimierungsprozess hat vier stages:

• Intra/Inter Vorhersage
• Ganzzahlige Transformation
• Quantisierung
• Entropiekodierung

H.264 unterstützt zwei Arten der Kodierung:

• Kontextadaptive Kodierung mit variabler Länge (CAVLC)
• Kontextadaptive binäre arithmetische Kodierung (CABAC)

Die aktuelle Version des H.264 Encoders implementiert Baseline Profile und verwendet CAVLC zur Entropiekodierung. Außerdem unterstützt der H.264-Encoder die Kodierung von I- und P-Frames.

Abbildung 1. Blockdiagramm des H.264-Encoders

Merkmale

Der H.264-Encoder verfügt über die folgenden Hauptfunktionen:

• Komprimiert das YCbCr 420-Videoformat
• Akzeptiert das YCbCr 422-Videoformat als Eingang
• Unterstützt 8-Bit für jede Komponente (Y, Cb und Cr)
• Unterstützt ITU-T H.264 Annex B-kompatible NAL-Byte-Stream-Ausgabe
• Funktioniert ohne Standalone-Betrieb, CPU oder Prozessorunterstützung nicht erforderlich
• Unterstützt benutzerkonfigurierbaren Qualitätsfaktor (QP)
• Unterstützt P-Frame-Anzahl (PCOUNT)
• Unterstützt vom Benutzer konfigurierbare Schwellenwerte für das Überspringen von Blöcken
• Unterstützt Berechnungen mit einer Geschwindigkeit von einem Pixel pro Takt
• Unterstützt Komprimierung bis zu einer Auflösung von 1080p 60 fps
• Verwendet die Video-Arbiter-Schnittstelle für den Zugriff auf DDR-Frame-Puffer
• Minimale Latenz (252 µs für Full HD oder 17 horizontale Zeilen)

Unterstützte Familien

H. 264 Encoder unterstützt die folgenden Produktfamilien:

• PolarFire®-SoC
• PolarFire

Hardware-Implementierung

In diesem Abschnitt werden die verschiedenen internen Module des H.264-Encoders beschrieben. Die Dateneingabe in den H.264-Encoder muss in Form eines Rasterscanbilds im YCbCr-422-Format erfolgen. Der H.264-Encoder verwendet 422-Formate als Eingabe und implementiert die Komprimierung in 420-Formaten.
Die folgende Abbildung zeigt das Blockdiagramm des H.264-Encoders.

Abbildung 1-1. H.264-Encoder – Module

1. Intra-Vorhersage
   H.264 verwendet verschiedene Intra-Vorhersagemodi, um die Informationen in einem 4 x 4-Block zu reduzieren. Der Intra-Vorhersageblock im IP verwendet nur DC-Vorhersagen auf einer 4 x 4-Matrixgröße. Die DC-Komponente wird aus den benachbarten oberen und linken 4 x 4-Blöcken berechnet.
2. Ganzzahltransformation
   H.264 verwendet eine ganzzahlige diskrete Kosinustransformation, bei der die Koeffizienten über die ganzzahlige Transformationsmatrix und die Quantisierungsmatrix so verteilt sind, dass es keine Multiplikationen oder Divisionen in der ganzzahligen Transformation gibt. Die ganzzahlige Transformation stage implementiert die Transformation mithilfe von Verschiebungs- und Additionsoperationen.
3. Quantisierung
   Die Quantisierung multipliziert jede Ausgabe der ganzzahligen Transformation mit einem vorbestimmten Quantisierungswert, der durch den QP-Benutzereingabewert definiert ist. Der Bereich des QP-Werts liegt zwischen 0 und 51. Jeder Wert über 51 ist clamped auf 51. Ein niedrigerer QP-Wert bedeutet geringere Komprimierung und höhere Qualität und umgekehrt.
4. Bewegungsschätzung
   Die Bewegungsschätzung durchsucht den 8 x 8-Block des aktuellen Frames im 16 x 16-Block des vorherigen Frames und generiert Bewegungsvektoren.
5. Bewegungskompensation
   Die Bewegungskompensation ruft die Bewegungsvektoren aus dem Bewegungsschätzungsblock ab und findet den entsprechenden 8 x 8-Block im vorherigen Frame.
6. CAVLC
   H.264 verwendet zwei Arten der Entropiekodierung – CAVLC und CABAC. Das IP verwendet CAVLC zur Kodierung der quantisierten Ausgabe.
7. Header-Generator
   Der Header-Generatorblock generiert die Blockheader, die Slice-Header, den Sequence Parameter Set (SPS), den Picture Parameter Set (PPS) und die Network Abstraction Layer (NAL)-Einheit, abhängig von der Instanz des Videobilds. Die Entscheidungslogik für den Sprungblock berechnet die Summe der absoluten Differenz (SAD) des aktuellen 16 x 16-Makroblocks und des vorherigen 16 x 16-Makroblocks aus dem vorhergesagten Standort des Bewegungsvektors. Der Sprungblock wird anhand des SAD-Werts und des SKIP_THRESHOLD-Eingangs entschieden.
8. H.264-Stream-Generator
   Der H.264-Stromgeneratorblock kombiniert die CAVLC-Ausgabe zusammen mit den Headern, um die codierte Ausgabe gemäß dem H.264-Standardformat zu erstellen.
9. DDR-Schreibkanal und Lesekanal
   Der H.264-Encoder erfordert, dass der decodierte Frame im DDR-Speicher gespeichert wird, der bei der Inter-Vorhersage verwendet wird.
   IP verwendet DDR-Schreib- und Lesekanäle, um eine Verbindung mit dem Video Arbiter IP herzustellen, das über das DDR-Controller-IP mit dem DDR-Speicher interagiert.

Eingänge und Ausgänge

Dieser Abschnitt beschreibt die Ein- und Ausgänge des H.264-Encoders.

Häfen
Die folgenden Tabellen enthalten die Beschreibung der Eingangs- und Ausgangsports des H.264-Encoders.

Tabelle 2-1. Ein- und Ausgänge des H.264-Encoders

Signalname	Richtung	Breite	Beschreibung
DDR_CLK_I	Eingang	1	Taktung des DDR-Speichercontrollers
PIX_CLK_I	Eingang	1	Eingangstakt, mit dem ankommende Pixel sampgeführt
RESET_N	Eingang	1	Aktiv-niedriges asynchrones Reset-Signal für das Design
DATA_VALID_I	Eingang	1	Gültiges Signal für eingegebene Pixeldaten
DATA_Y_I	Eingang	8	8-Bit-Luma-Pixeleingang im 422-Format
DATA_C_I	Eingang	8	8-Bit-Chroma-Pixeleingang im 422-Format
FRAME_START_I	Eingang	1	Anzeige des Frame-Beginns Die steigende Flanke dieses Signals wird als Frame-Start betrachtet.
FRAME_END_I	Eingang	1	Anzeige „Ende des Frames“
DDR_FRAME_START_ADDR_I	Eingang	8	DDR-Speicherstartadresse (LSB 24-Bit sind 0) zum Speichern des rekonstruierten Frames. Das H.264 IP speichert 4 Frames und verwendet 64 MB DDR-Speicher.
I_FRAME_FORCE_I	Eingang	1	Der Benutzer kann jederzeit ein I-Frame erzwingen. Es handelt sich um ein Impulssignal.
PCOUNT_I	Eingang	8	Die Anzahl der P-Frames pro I-Frame im 422-Format reicht von 0 bis 255.
QP	Eingang	6	Der Qualitätsfaktor für die H.264-Quantisierung im 422-Format reicht von 0 bis 51, wobei 0 die höchste Qualität und niedrigste Komprimierung und 51 die höchste Komprimierung darstellt.
SKIP_THRESHOLD_I	Eingang	12	Schwellenwert für die Entscheidung zum Überspringen von Blöcken Dieser Wert stellt den SAD-Wert des 16 x 16 Makroblocks zum Überspringen dar. Der Bereich reicht von 0 bis 1024, mit einem typischen Wert von 512. Ein höherer Schwellenwert führt zu mehr übersprungenen Blöcken und geringerer Qualität.
VRES_I	Eingang	16	Vertikale Auflösung des Eingabebildes. Es muss ein Vielfaches von 16 sein.
HRES_I	Eingang	16	Horizontale Auflösung des Eingabebildes. Es muss ein Vielfaches von 16 sein.
DATA_VALID_O	Ausgabe	1	Signal, das codierte Daten bezeichnet, ist gültig.

DATEN_O	Ausgabe	16	H.264-codierte Datenausgabe, die NAL-Einheit, Slice-Header, SPS, PPS und die codierten Daten von Makroblöcken enthält.
SCHREIBEN_KANAL_BUS	—	—	Schreibkanalbus, der mit dem Video-Arbiter-Schreibkanalbus verbunden werden soll. ist verfügbar, wenn als Arbiter-Schnittstelle die Bus-Schnittstelle ausgewählt ist.
LESE_KANAL_BUS	—	—	Lesekanalbus, der mit dem Video-Arbiter-Lesekanalbus verbunden werden soll. ist verfügbar, wenn als Arbiter-Schnittstelle die Bus-Schnittstelle ausgewählt ist.
DDR-Schreib-Native-IF– Diese Ports sind verfügbar, wenn die native Schnittstelle als Arbiter-Schnittstelle ausgewählt ist.
DDR_WRITE_ACK_I	Eingang	1	Schreibbestätigung vom Schiedsrichter-Schreibkanal.
DDR_WRITE_DONE_I	Eingang	1	Schreibabschluss vom Schiedsrichter.
DDR_WRITE_REQ_O	Ausgabe	1	Schreiben Sie eine Anfrage an den Schiedsrichter.
DDR_WRITE_START_ADDR_O	Ausgabe	32	DDR-Adresse, an die geschrieben werden soll.
DDR_WBURST_SIZE_O	Ausgabe	8	DDR-Schreibburst-Größe.
DDR_WDATA_VALID_O	Ausgabe	1	Für den Schiedsrichter gültige Daten.
DDR_WDATA_O	Ausgabe	DDR_AXI_DATA_WIDTH	Datenausgabe an den Schiedsrichter.
DDR Lesen Native IF– Diese Ports sind verfügbar, wenn die native Schnittstelle als Arbiter-Schnittstelle ausgewählt ist.
DDR_READ_ACK_I	Eingang	1	Lesebestätigung vom Schiedsrichter-Lesekanal.
DDR_READ_DONE_I	Eingang	1	Leseabschluss vom Schiedsrichter.
DDR_RDATA_VALID_I	Eingang	1	Vom Schiedsrichter gültige Daten.
DDR_RDATA_I	Eingang	DDR_AXI_DATA_WIDTH	Dateneingabe vom Schiedsrichter.
DDR_READ_REQ_O	Ausgabe	1	Lesen Sie die Anfrage an den Schiedsrichter.
DDR_READ_START_ADDR_O	Ausgabe	32	DDR-Adresse, von der gelesen werden soll.
DDR_RBURST_SIZE_O	Ausgabe	8	DDR-Leseburst-Größe.

Takteinschränkungen

Der H.264 Encoder IP verwendet die Takteingänge PIX_CLK_I und DDR_CLK_I. Verwenden Sie die Taktgruppierungsbeschränkungen für Platzierung und Routing und überprüfen Sie das Timing, während der IP die Taktdomänen-Kreuzungslogik implementiert.

Installationsanleitung

Der H. 264-Encoder-Kern muss im IP-Katalog der Libero® SoC-Software installiert werden. Dies erfolgt automatisch über die IP-Katalog-Aktualisierungsfunktion in der Libero SoC-Software, oder der IP-Kern kann manuell aus dem Katalog heruntergeladen werden. Sobald der IP-Kern im IP-Katalog der Libero SoC-Software installiert ist, kann der Kern in SmartDesign konfiguriert, generiert und instanziiert werden, um in das Libero-Projekt aufgenommen zu werden.

Prüfstand

Zum Überprüfen der Funktionalität des H.264-Encoder-IP steht ein Testbench zur Verfügung.

1. Simulation
   Die Simulation verwendet ein 432 × 240 Bild im YCbCr422 Format, dargestellt durch zwei files, jeweils für Y und C als Eingabe
   und erzeugt ein H.264 file Format mit zwei Frames. Die folgenden Schritte beschreiben, wie der Kern mithilfe der Testbench simuliert wird.
   1. Zum Libero SoC-Katalog > View > Windows > Katalog, und erweitern Sie dann „Lösungen-Video“. Doppelklicken Sie auf „H264_Encoder“, und klicken Sie dann auf „OK“.
   2. Um das erforderliche SmartDesign für die H.264 Encoder IP-Simulation zu generieren, klicken Sie auf Libero-Projekt > Skript ausführen. Navigieren Sie zum Skript ..\ \Komponente\Microchip\SolutionCore\ H264_Encoder\ \scripts\H264_SD.tcl, und klicken Sie dann auf Ausführen .
      Abbildung 5-2. Skript ausführen
      Die Standardbreite des AXI-Datenbusses beträgt 512. Wenn die H.264-Encoder-IP für Busbreiten von 256/128 konfiguriert ist, geben Sie AXI_DATA_WIDTH:256 oder AXI_DATA_WIDTH:128 in das Feld „Argumente“ ein.
      Das SmartDesign wird angezeigt. Siehe folgende Abbildung.
      Abbildung 5-3. Top SmartDesign
   3. Auf der FileKlicken Sie auf der Registerkarte Simulation > Importieren Files.
      Abbildung 5-4. Importieren Files
   4. Importieren Sie die Dateien H264_sim_data_in_y.txt und H264_sim_data_in_c.txt. file und die H264_sim_refOut.txt file vom folgenden Pfad: ..\ \Komponente\Microchip\SolutionCore\ H264_Encoder\ \Stimulus.
   5. Um eine andere zu importieren file, durchsuchen Sie den Ordner, der die erforderliche enthält file, und klicken Sie auf Öffnen. Das importierte file unter Simulation aufgeführt ist, siehe folgende Abbildung.
   6. Klicken Sie auf der Registerkarte Stimulus Hierarchy auf H264_Encoder_tb (H264_Encoder_tb. v) > Simulate Pre-Synth Design > Open Interactively. Das IP wird für zwei Frames simuliert. Abbildung 5-6. Simulieren des Pre-Synthesis-Designs
      ModelSim öffnet sich mit der Testbench file wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Wichtig: Wird die Simulation aufgrund der im DO angegebenen Laufzeitbegrenzung unterbrochen, fileverwenden Sie den Befehl run -all, um die Simulation abzuschließen.

Ressourcennutzung

Der H. 264 Encoder ist im PolarFire SoC FPGA (MPFS250T-1FCG1152I-Gehäuse) implementiert und erzeugt komprimierte Daten unter Verwendung von 4:2:2 sampling von Eingabedaten.

Tabelle 6-1. Ressourcennutzung für H.264-Encoder

Ressource	Verwendung
4 Nachschlagetabellen (LUTs)	69092
D-Flip-Flops (DFFs)	65522
Statischer Direktzugriffsspeicher (LSRAM)	232
uSRAM	30
Mathe-Blöcke	19
Schnittstelle 4-Eingangs-LUTs	9396
Schnittstellen-DFFs	9396

Konfigurationsparameter

In der folgenden Tabelle ist die Beschreibung der allgemeinen Konfigurationsparameter aufgeführt, die in der Hardwareimplementierung des H.264-Encoders verwendet werden und je nach Anwendungsanforderungen variieren können.

Tabelle 7-1. Konfigurationsparameter

Name	Beschreibung
DDR_AXI_DATA_WIDTH	Definiert die DDR AXI-Datenbreite. Sie kann 128, 256 oder 512 betragen.
SCHIEDSRICHTER-SCHNITTSTELLE	Option zur Auswahl der nativen oder Bus-Schnittstelle zur Verbindung mit Video-Arbiter-IP

IP-Konfigurator
Die folgende Abbildung zeigt den H.264-Encoder-IP-Konfigurator.

Abbildung 7-1. H.264 Encoder-Konfigurator

Lizenz
H.264 Encoder wird in verschlüsselter Form nur unter Lizenz bereitgestellt.
Verschlüsselter RTL-Quellcode ist lizenzgebunden und muss separat erworben werden. Mit der Libero-Designsuite können Sie Simulationen, Synthesen, Layouts und Programmierungen des Field Programmable Gate Array (FPGA)-Siliziums durchführen.
Die Evaluierungslizenz wird kostenlos zur Verfügung gestellt, um die H.264-Encoder-Funktionen zu testen. Die Evaluierungslizenz läuft nach einer Stunde Nutzung auf der Hardware ab.

Änderungsverlauf

Der Revisionsverlauf beschreibt die Änderungen, die im Dokument vorgenommen wurden. Die Änderungen werden nach Revision aufgelistet, beginnend mit der aktuellsten Veröffentlichung.

Tabelle 9-1. Revisionsverlauf

Revision	Datum	Beschreibung
B	09/2022	• Aktualisiert Merkmale Abschnitt. • Die Breite des DATA_O-Ausgangssignals wurde von 8 auf 16 aktualisiert, siehe Tabelle 2-1. • Aktualisiert Abbildung 7-1. • Aktualisiert 8. Lizenz Abschnitt. • Aktualisiert 6. Ressourcennutzung Abschnitt. • Aktualisiert Abbildung 5-3.
A	07/2022	Erstveröffentlichung.

Die Microchip FPGA-Produktgruppe unterstützt ihre Produkte mit verschiedenen Support-Services, darunter Kundendienst, technisches Kunden-Support-Center, a webStandort und weltweite Vertriebsniederlassungen. Kunden wird empfohlen, die Online-Ressourcen von Microchip zu besuchen, bevor sie sich an den Support wenden, da ihre Fragen sehr wahrscheinlich bereits beantwortet wurden.

Wenden Sie sich über das Technical Support Center an webSeite unter www.microchip.com/support. Geben Sie die Teilenummer des FPGA-Geräts an, wählen Sie die entsprechende Gehäusekategorie aus und laden Sie das Design hoch files beim Erstellen eines technischen Support-Falls.
Wenden Sie sich für nicht technischen Produktsupport an den Kundendienst, z. B. Produktpreise, Produkt-Upgrades, Aktualisierungsinformationen, Bestellstatus und Autorisierung.

• Rufen Sie aus Nordamerika die Nummer 800.262.1060 an.
• Aus dem Rest der Welt rufen Sie 650.318.4460 an
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• Geschäft von Microchip – Produktauswahl- und Bestellleitfäden, neueste Pressemitteilungen von Microchip, Auflistung von Seminaren und Veranstaltungen, Auflistung von Microchip-Vertriebsbüros, Distributoren und Fabrikvertretern

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Der Benachrichtigungsservice für Produktänderungen von Microchip hilft Kunden, die Produkte von Microchip auf dem Laufenden zu halten. Abonnenten erhalten E-Mail-Benachrichtigungen, wenn Änderungen, Aktualisierungen, Überarbeitungen oder Errata in Bezug auf eine bestimmte Produktfamilie oder ein Entwicklungstool von Interesse vorliegen.
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Technischen Support erhalten Sie über die webWebsite unter: www.microchip.com/support

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• Microchip ist davon überzeugt, dass seine Produktfamilie sicher ist, wenn sie bestimmungsgemäß, innerhalb der Betriebsspezifikationen und unter normalen Bedingungen verwendet wird.
  Microchip legt großen Wert auf seine geistigen Eigentumsrechte und schützt diese mit Nachdruck. Versuche, die Codeschutzfunktionen von Microchip-Produkten zu verletzen, sind streng verboten und können einen Verstoß gegen den Digital Millennium Copyright Act darstellen.
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Dokumente / Ressourcen

MICROCHIP H.264-Encoder [pdf] Benutzerhandbuch H.264-Encoder, H.264, Encoder

Verweise

• Bedienungsanleitung