FPGA纯verilog代码实现H264视频压缩 提供工程源码和技术支持

1、前言

H264视频压缩与解码在FPGA图传领域应用广泛，Xilinx高端器件已经内嵌了H264加速器，在Linux系统下调用API即可使用，但对于需要定制私有算法或者协议的H264视频压缩与解码应用或者学习研究者而言，纯verilog代码实现H264视频压缩依然具有实用价值，本设计采用纯verilog代码实现H264视频压缩，没有使用任何IP，具有参考价值；

本文详细描述了FPGA纯verilog代码实现H264视频压缩的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，但目前只做到了仿真层面，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的数字成像和图像压缩领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

2、我这里已有的视频图像编解码方案

我这里有图像的JPEG解压缩、JPEG-LS压缩、H264编解码、H265编解码以及其他方案，后续还会出更多方案，我把他们整合在一个专栏里面，会持续更新，专栏地址：
直接点击前往

3、H264视频压缩理论

请参考这篇文章，感觉写得挺好：https://blog.csdn.net/Ciellee/article/details/91375879

4、H264视频压缩-性能表现

AVC/H.264 Baseline Profile
YUV 4:2:0视频源输入；
视频颜色深度8bit；
最高支持1080P@60Hz视频；
GOP：I/P 即帧内/帧间算法
MB: 16x16 即内部16x16图像分块
1/4 Sub-pixel interpolation
Search range: 16
All Inter Partition mode
All 9 Intra prediction mode
CAVLC
Deblocking Filter

INTRA – Intra mode decision & partition decision
a.Modify the mode priority of C model to match RTL
IME – Integer motion estimation
a.Modify the generation of mv_cost to support P frame
FME– Fractional motion estimation
a.Fix some bugs in fmv calculation and luma prediction
b.Redesign the 1/2 interpolator logic
TQ - Transformation & Quantization
a.Add QPc to quantize chroma residuals
b.Incease the bitwidth of quant modules and idct module to prevent overflow
CAVLC - Entropy coding
a.Modify the FSM to encode chroma component properly
b.Fix a bug in fetching residuals from TQ
FETCH
a.Fix several bugs in fetching predicted pixels
b.Modify the logic of reading RAM

5、H264视频压缩-设计方案

设计框图如下：

输入：YUV 4:2:0视频流；颜色深度8bit；最高支持1080P@60Hz视频；
压缩算法：帧间和帧内自适应流水线设计；其中I帧存于模块内部Buffer，P帧输出模块外部Buffer；详细设计算法参考第3节的理论链接；https://blog.csdn.net/Ciellee/article/details/91375879
输出：单字节的H264压缩数据；
H264视频压缩代码顶层接口如下：

module helai_h264_encode_2023 (
	input 		  				  clk             , 
	input 		  				  rst_n           ,                                   
	input						  i_sys_start     ,	//开始压缩信号,高电平脉冲     
	output						  o_sys_done      ,	//压缩完成指示信号,高有效		                			
	input						  i_sys_intra_flag,	//开始GOP信号,高电平脉冲 
	input [5:0]					  i_sys_qp        ,	//初始化QP值
	input 						  i_sys_mode      ,	//0:frame mode 1:MB mode 
	input [`PIC_W_MB_LEN-1:0] 	  i_sys_x_total   ,	//一行图像的 MB 大小    
	input [`PIC_H_MB_LEN-1:0]  	  i_sys_y_total   ,	//一列图像的 MB 大小  
	output						  o_enc_ld_start  ,
	output [`PIC_W_MB_LEN-1:0]	  o_enc_ld_x      ,
	output [`PIC_H_MB_LEN-1:0]    o_enc_ld_y      ,                             
	input [8*`BIT_DEPTH - 1:0]    i_video_data    ,	//视频数据输入
	input          				  i_video_de      ,	//视频输入有效信号,高有效
	output         				  o_video_in_ing  ,	//表示图像正在输入                        
	output [7:0]   				  o_video_data    ,	//压缩后的视频数据输出
	output         				  o_video_de      ,	//压缩后的视频数据输出有效信号,高有效                              
	output [`PIC_W_MB_LEN-1:0]    o_ext_PF_mb_x   ,	//输出 P 帧一行图像的 MB 大小	
	output [`PIC_H_MB_LEN-1:0] 	  o_ext_PF_mb_y   ,	//输出 P 帧一列图像的 MB 大小
	output                        o_ext_PF_start  ,	//输出 P 帧开始信号,高电平,相当于 VGA 时序的 VS	
	input                         i_ext_PF_done   ,	//输入 P 帧 Buffer 接收完成信号
	output [2:0]              	  o_ext_PF_mode   ,	//输出 P 帧模式:0:frame mode 1:MB mode
	input						  i_ext_PF_wen	  ,	//外部 P 帧 Buffer 输入写信号,	高有效	
	input						  i_ext_PF_ren	  ,	//外部 P 帧 Buffer 输入读信号,	高有效		
	input  [3:0]				  i_ext_PF_addr   ,	//外部 P 帧 Buffer 输入地址	
	input  [16*`BIT_DEPTH - 1:0]  i_ext_PF_data   ,	//读回 P 帧 Buffer 的视频	
	output [4*4*`BIT_DEPTH - 1:0] o_ext_PF_data   	//写入 P 帧 Buffer 的视频	
);

6、Vivado工程详解

建立Vivado工程，将源码复制进去，目的是进行功能仿真和综合；
开发板FPGA型号：xc7k325tffg676-2；
输入：测试激励YUV 4:2:0视频流文件；
输出：软件生成的压缩视频与FPGA压缩的视频逐个字节对比结果；
应用：功能仿真和综合；

代码架构如下：

综合后的FPGA资源消耗如下：

7、Vivado功能仿真

由于仿真过程比较复杂，我专门做了一个PPT教程，详细讲述了仿真流程，手把手教程，PPT教程一并在资料包里给出；位置如下：

正确仿真的结果如下：

8、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：文章末尾的V名片。
网盘资料如下：