視頻技術(shù)之超高清（UHD）H.264視頻編解碼IP設(shè)計(jì)

Atria Logic公司開發(fā)的H.264編解碼IP（包括AL-H264E-4KI422-HW編碼器和AL-H264D-4KI422-HW解碼器）移植到Xilinx Zynq Z-7045 SoC上，能夠?qū)崿F(xiàn)UHD 4K@60fps視頻流的操作，如下圖所示：

ArTIa Logic公司開發(fā)的H.264編解碼IP設(shè)計(jì)模塊圖

ArTIa Logic設(shè)計(jì)的AL-H264E-4KI422-HW 編碼IP核是基于硬件的，特性豐富，低延遲，高質(zhì)量，面向H.264(AVC) UHD Hi422幀內(nèi)編碼。AL-H264E-4KI422-HW編碼器與AL-H264D-4KI422-HW低延遲解碼器配對(duì)使用。

該IP核包含的特性如下：

全面的模塊化設(shè)計(jì)，支持用戶自定義和擴(kuò)展

支持幀內(nèi)H.264和Hi422 5.1編碼和解碼

集成HDMI2.0接收和發(fā)送子系統(tǒng)

支持8/10位編解碼

支持RGB，YUV 4:2:2/4:4:4

低延遲 ~0.3秒

支持可變比特率（VBR）和恒定比特率（CBR）方式

視頻質(zhì)量0.99% SSIM，或者50dB PSNR或者更高

視頻處理子系統(tǒng)用于預(yù)/后處理，包括顏色空間轉(zhuǎn)換，視頻縮放和濃度二次抽樣

支持Gbps以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流輸出

我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)方案來(lái)評(píng)估我們的UHD編碼和解碼IP核以滿足4K@60fps性能需要，那么我們需要一個(gè)靈活的，功能強(qiáng)大的平臺(tái)。最終我們選用Xilinx ZC706評(píng)估套件，其是基于Zynq Z-7045 SoC，原因如下：

有一個(gè)現(xiàn)成的FMC擴(kuò)展板卡，提供4K HDMI視頻接口：TB-FMC-HDMI 4K 2.0版本子卡

Zynq Z-7045 SoC豐富的可編程邏輯資源能夠適應(yīng)編碼器和解碼器IP邏輯，滿足嚴(yán)格的時(shí)序要求以達(dá)到性能要求

Zynq SoC的處理器系統(tǒng)集成了雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器，能夠讓我們有能力修改應(yīng)用驅(qū)動(dòng)軟件和自定義設(shè)計(jì)，像是應(yīng)用設(shè)計(jì)的GUI接口

H.264編碼器支持H.264 Hi422格式配置，5.1標(biāo)準(zhǔn)（3840x2160p30）幀內(nèi)唯一編碼。支持10位視頻流這表示從視頻條帶來(lái)看不會(huì)出現(xiàn)灰度和顏色退化現(xiàn)象。支持YUV4:2:2視頻流意味著能夠?qū)崿F(xiàn)更好的顏色劃分——尤其對(duì)于紅色很明顯——這使得圖像更加清晰。對(duì)于醫(yī)療成像場(chǎng)合視頻質(zhì)量非常重要。

Atria Logic公司UHD H.264編碼器IP模塊圖

幀內(nèi)編碼讓H.264編碼器實(shí)現(xiàn)幀頻延遲，宏模塊流水線架構(gòu)設(shè)計(jì)則進(jìn)一步降低延遲：大約0.3毫秒。流水線設(shè)計(jì)支持每個(gè)時(shí)鐘處理八個(gè)像素點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的4K@60fps視頻編碼。

Atria Logic公司開發(fā)的這款H.264編碼器僅使用了Zynq Z-7045 SoC 78%的可編程邏輯和DSP資源，以及55%的可用RAM，為其他必需電路預(yù)留了足夠的空間。

H.264解碼器支持H.264 Hi422格式配置，5.1標(biāo)準(zhǔn)（3840x2160p30）幀內(nèi)唯一編碼。同編碼器一樣支持10位視頻流編碼，即從視頻條帶來(lái)看不會(huì)出現(xiàn)灰度或者顏色退化現(xiàn)象。解碼器也支持YUV 4:2:2視頻格式，支持幀內(nèi)解碼，采用流水線架構(gòu)實(shí)現(xiàn)解碼器的幀率延遲。

Atria Logic公司 UHD H.264解碼器IP模塊圖

對(duì)于任何閉環(huán)的人/機(jī)應(yīng)用低延遲都非常重要。當(dāng)AL-H264E-4KI422-HW編碼器和AL-H264D-4KI422-HW低延遲解碼器通過IP網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)時(shí)，玻璃延遲時(shí)間大約是0.6毫秒（不包括傳輸時(shí)間）。這大約是兩個(gè)幀的延遲時(shí)間。

Atria Logic H.264解碼器的實(shí)現(xiàn)僅占用了Zynq Z-7045 SoC 68%的可編程邏輯資源，35%的DSP資源，以及45%的RAM，為其它必需電路留出了足夠的空間。

HDMI子系統(tǒng)包括兩個(gè)主要模塊：Xilinx LogicCore HDMI TX和RX子系統(tǒng)，如下圖所示：

HDMI收發(fā)器（GTX）模塊發(fā)送和接收串行HDMI TX和RX傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并且在串行數(shù)據(jù)流和片上并行數(shù)據(jù)流之前轉(zhuǎn)換。收發(fā)器模塊實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換采用的是Zynq SoC高速GT收發(fā)器作為HDMI PHY物理層接口。

TX子系統(tǒng)包括發(fā)送模塊、AXI Video轉(zhuǎn)換、視頻時(shí)序控制和可選的HDCP模塊。Axi Video數(shù)據(jù)流通道每個(gè)時(shí)鐘傳輸兩到四個(gè)像素點(diǎn)到HDMI TX子系統(tǒng)，并且支持8,10,12位數(shù)據(jù)編碼。這個(gè)數(shù)據(jù)流符合AXI設(shè)計(jì)參考手冊(cè)（UG761）中定義的視頻傳輸協(xié)議，視頻轉(zhuǎn)換模塊將輸入的AXI-Stream轉(zhuǎn)換為本地視頻格式，視頻時(shí)序控制器用于生成本地視頻時(shí)序。音頻AXI Stream將多通道未壓縮的音頻數(shù)據(jù)傳輸給HDMI TX子系統(tǒng)。Zynq Z-7045 SoC的ARM Cortex-A9處理器通過CPU接口控制HDMI TX子系統(tǒng)的發(fā)送模塊。

HDMI RX子系統(tǒng)包括三個(gè)AXI協(xié)議接口。視頻轉(zhuǎn)換橋?qū)⒉东@的本地視頻轉(zhuǎn)換為AXI Stream數(shù)據(jù)流，將這些視頻數(shù)據(jù)通過AXI Video接口輸出，符合AXI設(shè)計(jì)參考手冊(cè)（UG761）中定義的協(xié)議規(guī)范。視頻時(shí)序控制器則測(cè)量視頻時(shí)序，接收的音頻通過AXI Stream音頻接口發(fā)送出去。CPU接口則實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)通信。

HDCP模塊是可選的，不含在標(biāo)準(zhǔn)的IP核配置中。