1. 介紹

Xilinx提供超低延時編解碼方案，并提供了全套軟件。MPSoC Video Codec Unit提供了詳細說明。其中的底層應用軟件是VCU Control-Software(Ctrl-SW)。

本文主要說明為Ctrl-SW增加輸出NV12視頻的功能。

1.1. VCU輸入和輸出格式

Video Codec Unit(VCU) 輸入和輸出都是是NV12/NV16格式的視頻，Y分量存放在一塊連續內存區，UV分量交替存放在Y分量后面的連續內存。具體信息，可以參考VCU Product Guide中的“Source Frame Format”和“Memory Format”。

Ctrl-SW的輸入文件最好是NV12/NV16格式的視頻文件，由于不需要做格式轉換，幀率(FPS)最高。但是Ctrl-SW的輸出文件缺省是圖像真實分辨率的I420/I422的文件，其中的Y、U、V分量，各自存在一塊連續內存，UV分量沒有像NV12/NV16格式的視頻交替在一起?？梢允褂肍FMPeg等工具，將I420的文件，轉換成NV12/NV16格式的文件。

1.2. VCU內存的高度和寬度要求

對于視頻的輸入內存區，VCU要求高和寬都按32向上對齊。對于1920x1080分辨率,輸入的buffer大小至少是1920x1088字節；對于3840x2160分辨率,輸入的buffer大小至少是3840x2176字節。

對于視頻的輸出內存區，VCU要求寬以256地址對齊，高以64地址對齊。對于1920x1080分辨率,輸出的buffer大小是2048x1088字節；對于3840x2160分辨率,輸出的buffer大小是3840x2176字節。

1.3. VCU內存的pitch

視頻數據在內存區中存放時，兩行之間的數據可以有間隔。對于每個像素的Y分量用8-bit表示的圖像，每個像素的Y分量對應內存的一個字節，圖像Y分量的每一行對應的內存大小就是其寬度代表的字節數。比如1920x1080,每一行圖像的Y分量需要1920字節內存。如果以2048字節來存儲一行1920x1080的圖像數據，則在前面存放圖像數據，后面的數據被VCU忽略。也可以參考PG252的“Figure 7: Frame Buffer Pitch”。

2. 顯示YUV文件 2.1. 工具RAW yuv player

Github上的RAW yuv player?能顯示YUV文件，它的舊版本Sourceforge RAW yuv player在Sourceforge上。RAW yuv player的菜單“Colour”下，有各種顏色格式，菜單“Size”下有各種分辨率；菜單"Zoom"下可以選擇圖像縮放比例。

RAW yuv player的YUV420(YV12)格式，就是I420格式，可以顯示Ctrl-SW缺省輸出的YUV文件。 RAW yuv player的NV12格式，也是Ctrl-SW的NV12格式，可以顯示修改后的Ctrl-SW輸出的YUV NV12文件。

2.1.1. 技巧

各種YUV文件，第一片數據一般都是分量Y。如果發現YUV文件的顯示有問題，可以設置好分辨率，在菜單“Colour”下選擇“Y”，只看其中的分量Y，當成黑白圖片看。如果黑白圖片是正常的，說明分量Y是對的。

2.2. hexdump

如果圖片內容不對，可以使用二進制比較工具比較錯誤圖片和正確圖片，比如Beyond Compare。比較的時候，注意取消對齊設置。

如果沒有二進制比較工具，可以使用hexdump把YUV文件按HEX格式轉換為文本文件，再用文本比較工具，比如kdiff3、meld進行比較。hexdump輸出時，會輸出星號"*"代替一樣的行；多個重復行，也只輸出一個星號。為hexdump加上"-v"選項，則會輸出所有數據。

xilinx@XSZHANKF$ hexdump -x test_1080p_h264.264.1f.i420.1920x1080.yuv > test_1080p_h264.264.1f.i420.1920x1080.yuv.hex
xilinx@XSZHANKF$ hexdump -v -x test_1080p_h264.264.1f.i420.1920x1080.yuv > test_1080p_h264.264.1f.i420.1920x1080.yuv.v.hex

3. 輸出NV12/NV16格式文件

如果Ctrl-SW能輸出NV12/NV16格式的文件，Ctrl-SW就能直接對自己的文件進行編碼，測試時更加方便。

經過研究，在Ctrl-SW 2020.2里，實現了輸出NV12/NV16格式文件的功能。

3.1. 選項

Ctrl-SW里有三種分辨率，分別是圖像的真實分辨率，Meta數據分辨率，內存塊（buffer）分辨率。

圖像的真實分辨率，是真實顯示的分辨率。

在Ctrl-SW里，為YUV數據分配內存時，根據圖像分辨率，并按對齊要求像是對齊圖像分辨率后，得到YUV數據的內存塊大小，這就是對應的內存塊（buffer）分辨率。對于解碼，1920x1080分辨率的內存塊是2048x1088字節；3840x2160分辨率的buffer是3840x2176字節。

另外分配內存后，每個內存塊有一個對應的Meta數據，保存YUV數據的分辨率。Meta數據分辨率可能比內存塊分辨率低。1920x1080分辨率的Meta數據分辨率是2048x1088；而3840x2160分辨率的Meta數據分辨率卻是3840x2160，在高度上并沒有像1080p時向上對齊。

所以輸出NV12/NV16的視頻時，也有多種組合。為了測試方便，實現了輸出各種組合的NV12/NV16的視頻。

如果使用選項“-yuv-nvx”，按得到的Meta數據的分辨率信息，從Y和UV分量的地址，逐行寫入到文件。

如果使用選項“-yuv-nvx-1buffer”，行依照pitch長度，高使用分辨率的高度并向上按64字節對齊，計算出YUV整個的內存區大小，相當于內存塊（buffer）分辨率，一次性寫入到文件。

如果使用選項“-yuv-nvx-stride”，行依照pitch長度，高使用分辨率的高度，從Y和UV分量的地址，逐行輸出。相當于寬按內存塊（buffer）分辨率，高按Meta數據分辨率輸出。

如果使用選項“-yuv-nvx-dispay”，按得到的顯示分辨率信息，從Y和UV分量的地址，逐行輸出。

另外，還附帶增加了輸出YUV文件時跳幀、抽幀的功能。如果使用選項“--yuv-skip-num”，則前面的指定數量的幀不會被輸出；比如指定5，前面的5幀不會被寫入到YUV文件。如果使用選項“--yuv-skip-interval”，則指定數字的倍數序號的幀，才會被輸出；比如指定數字3，則只有序號是3的倍數的幀才會被寫入到YUV文件。

4. 代碼

在Ctrl-SW 2020.2里，添加如下代碼后，可以直接輸出NV12/NV16格式的文件。

下面是增加的全局變量定義。

int gi_yuv_output_skip_frame_num=0;
    int gi_yuv_output_skip_frame_interval=0;
    int gi_yuv_output_nvx_flag=0;
    int gi_yuv_output_nvx_1buffer_flag=0;
    int gi_yuv_output_nvx_stride_flag=0;
    int gi_yuv_output_nvx_dispay_flag=0;
    int gi_yuv_output_dispay_width=0;
    int gi_yuv_output_dispay_height=0;

下面是增加的ctrlsw_decoder的命令行選項。

opt.addInt("--yuv-skip-num", &gi_yuv_output_skip_frame_num, "Skip frame number before writing YUV file.");
  opt.addInt("--yuv-skip-interval", &gi_yuv_output_skip_frame_interval, "Interval frame number when writing YUV file.");
  opt.addFlag("-yuv-nvx", &gi_yuv_output_nvx_flag, "Output NV12/NV16 YUV file.", 1);
  opt.addFlag("-yuv-nvx-1buffer", &gi_yuv_output_nvx_1buffer_flag, "Output one continuous NV12/NV16 buffer to YUV file.", 1);
  opt.addFlag("-yuv-nvx-stride", &gi_yuv_output_nvx_stride_flag, "Output NV12/NV16 YUV file with VCU round-up padding/stride.", 1);
  opt.addFlag("-yuv-nvx-dispay", &gi_yuv_output_nvx_dispay_flag, "Output NV12/NV16 YUV file with display width.", 1);

下面是在UncompressedOutputWriter::ProcessFrame()內部增加的判斷是否輸出NV12/NV16格式的視頻文件的判斷代碼。

 if( gi_yuv_output_skip_frame_num_local <  gi_yuv_output_skip_frame_num )
  {
    return;
  }

  if( 0 == (gi_yuv_output_skip_frame_num_local%gi_yuv_output_skip_frame_interval) )
  {
    return;
  }

  if( ( 1 == gi_yuv_output_nvx_flag ) || ( 1 == gi_yuv_output_nvx_1buffer_flag ) 
    || ( 1 == gi_yuv_output_nvx_stride_flag )  || ( 1 == gi_yuv_output_nvx_dispay_flag ) )
  {
    ProcessFrameNVx( tRecBuf, info, iBdOut);
    return;
  }

下面是顯示視頻參數的代碼，用于調試，可以被屏蔽掉。

void UncompressedOutputWriter::ShowVideoInfo(AL_TBuffer& tRecBuf, AL_TInfoDecode info, int iBdOut)
{

  // only print one time.
  static int i_call_time=0;
  if( 0 != i_call_time )
  {
	  return;
  }
  i_call_time++;

  iBdOut = convertBitDepthToEven(iBdOut);

  auto const iSizePix = (iBdOut + 7) >> 3;

  TFourCC tRecFourCC = AL_PixMapBuffer_GetFourCC(&tRecBuf);
  printFourCC( tRecFourCC, "Recorded frame buffer", __func__, __LINE__ );

  int sx = 1, sy = 1;
  AL_GetSubsampling(tRecFourCC, &sx, &sy);

  int iPitchSrcY = AL_PixMapBuffer_GetPlanePitch(&tRecBuf, AL_PLANE_Y);
  
  int iPitchSrcUV = AL_PixMapBuffer_GetPlanePitch(&tRecBuf, AL_PLANE_UV);
  if( iPitchSrcY != iPitchSrcUV )
  {
	  LogInfo("YUV Y Plane pitch: %d does not equal to UV Plane pitch:%d at %s:%d.\n", 
			iPitchSrcY, iPitchSrcUV, __func__, __LINE__ );
  }
  LogVerbose("YUV Y Plane pitch:%d, UV Plane pitch:%d  at %s:%d.\n", iPitchSrcY, iPitchSrcUV, __func__, __LINE__ );
  
  AL_TDimension tYuvDim = AL_PixMapBuffer_GetDimension(&tRecBuf);
  int const iRoundUpYWidth = RoundUp(tYuvDim.iWidth, 256);
  if( iPitchSrcY != iRoundUpYWidth )
  {
	  LogInfo("YUV Y Plane pitch %d does not equal to Y Round-up Width:%d at %s:%d.\n", 
			iPitchSrcY, iRoundUpYWidth, __func__, __LINE__ );
  }

  // For 1920x1080, YuvDim.iHeight is always rounded up, it is 1920x1088.
  // For 3840x2160, YuvDim.iHeight is not rounded up, it is 3840x2160.
  int const iRoundUpHeight = RoundUp(tYuvDim.iHeight, 64);
  if( tYuvDim.iHeight != iRoundUpHeight )
  {
  	// For 4K video, tYuvDim.iHeight(2160) does not equal to Round-up Height(2176)
	  LogInfo("YUV Height: %d does not equal to Round-up Height:%d at %s:%d.\n", 
			tYuvDim.iHeight, iRoundUpHeight, __func__, __LINE__ );
  }

  //int const iNumPix = tYuvDim.iHeight * tYuvDim.iWidth; // For I420 without extra padding bytes.
  const AL_EChromaMode  stRecChromaMode = AL_GetChromaMode(tRecFourCC);
  //int const iNumPixC = AL_GetChromaMode(tRecFourCC) == AL_CHROMA_MONO ? 0 : ((tYuvDim.iWidth + sx - 1) / sx) * ((tYuvDim.iHeight + sy - 1) / sy);
  int const iLineNumPixC = (stRecChromaMode == AL_CHROMA_MONO) ? 0 : ((tYuvDim.iWidth + sx - 1) / sx) ;
  int const iRoundUpLineNumPixC = (stRecChromaMode == AL_CHROMA_MONO) ? 0 : ((iPitchSrcUV + sx - 1) / sx) ;

	// Get display in sResolutionFound()
  int const iNumPix = tYuvDim.iHeight *  tYuvDim.iWidth;
  int const iRoundUpNumPix = iRoundUpHeight * iPitchSrcY;

  int const iNumPixC = iLineNumPixC * ((tYuvDim.iHeight + sy - 1) / sy);
  int const iRoundUpNumPixC = iRoundUpLineNumPixC * ((iRoundUpHeight + sy - 1) / sy);
  int i_y_buffer_size = iRoundUpNumPix * iSizePix;
  int i_uv_buffer_size = 2 * iRoundUpNumPixC * iSizePix;
  
  int i_yuv_buffer_size = i_y_buffer_size + i_uv_buffer_size;
  LogVerbose("Subsampling sx:%d, sy:%d  at %s:%d.\n", sx, sy, __func__, __LINE__ );
  LogVerbose("Height:%d, Width:%d  at %s:%d.\n", tYuvDim.iHeight, tYuvDim.iWidth, __func__, __LINE__ );
  LogVerbose("Roundup Height:%d, Width:%d  at %s:%d.\n", iRoundUpHeight, iPitchSrcY, __func__, __LINE__ );
  LogVerbose("iNumPix:%d, iLineNumPixC:%d, iNumPixC:%d, iSizePix:%d  at %s:%d.\n", iNumPix, iLineNumPixC, iNumPixC, iSizePix, __func__, __LINE__ );
  LogVerbose("iRoundUpNumPix:%d, iRoundUpLineNumPixC:%d, iRoundUpNumPixC:%d at %s:%d.\n", iRoundUpNumPix, iRoundUpLineNumPixC, iRoundUpNumPixC, __func__, __LINE__ );
  
  LogVerbose("NV12/NV16 YUV Plane Y: %d, UV: %d YUV: %d bytes at %s:%d.\n", 
			i_y_buffer_size, i_uv_buffer_size, i_yuv_buffer_size, __func__, __LINE__ );
  
  uint8_t* p_buff_y_plane = AL_PixMapBuffer_GetPlaneAddress(&tRecBuf, AL_PLANE_Y);
  uint8_t* p_buff_uv_plane = AL_PixMapBuffer_GetPlaneAddress(&tRecBuf, AL_PLANE_UV);
  LogVerbose("NV12/NV16 YUV Y Plane address: %p, UV Plane address: %p at %s:%d.\n", 
  		p_buff_y_plane, p_buff_uv_plane, __func__, __LINE__ );
  
  int const iOffsetY_UV_Plane = ( (unsigned long long)p_buff_uv_plane - (unsigned long long)p_buff_y_plane);
  if( i_y_buffer_size != iOffsetY_UV_Plane )
  {
	  LogInfo("YUV Y Plane sieze: %d does not equal to offset: %d between Y/UV plane at %s:%d.\n", 
			i_y_buffer_size, iOffsetY_UV_Plane, __func__, __LINE__ );
  }

}

下面是增加的輸出NV12/NV16格式的視頻文件的主體代碼。

void UncompressedOutputWriter::ProcessFrameNVx(AL_TBuffer& tRecBuf, AL_TInfoDecode info, int iBdOut)
{

  if(!(YuvFile.is_open() || CertCrcFile.is_open()))
    return;
  
  static int i_call_time=0;
  i_call_time++;

  iBdOut = convertBitDepthToEven(iBdOut);

  auto const iSizePix = (iBdOut + 7) >> 3;

  TFourCC tRecFourCC = AL_PixMapBuffer_GetFourCC(&tRecBuf);

#if 1
  ShowVideoInfo( tRecBuf, info, iBdOut);
#endif

  int sx = 1, sy = 1;
  AL_GetSubsampling(tRecFourCC, &sx, &sy);

  int iPitchSrcY = AL_PixMapBuffer_GetPlanePitch(&tRecBuf, AL_PLANE_Y);
  int iPitchSrcUV = AL_PixMapBuffer_GetPlanePitch(&tRecBuf, AL_PLANE_UV);

  AL_TDimension tYuvDim = AL_PixMapBuffer_GetDimension(&tRecBuf);

  const AL_EChromaMode	stRecChromaMode = AL_GetChromaMode(tRecFourCC);
  int const iLineNumPixC = (stRecChromaMode == AL_CHROMA_MONO) ? 0 : ((tYuvDim.iWidth + sx - 1) / sx) ;

  uint8_t* p_buff_y_plane = AL_PixMapBuffer_GetPlaneAddress(&tRecBuf, AL_PLANE_Y);
  LogVerbose("NV12/NV16 YUV data Y Plane address: %p at %s:%d.\n", p_buff_y_plane, __func__, __LINE__ );
  
  LogVerbose("YUV data with VCU padding Height:%d, Y Width:%d, UV Width:%d at %s:%d.\n", 
		tYuvDim.iHeight, iPitchSrcY, iPitchSrcUV, __func__, __LINE__ );

  if( 1 == gi_yuv_output_nvx_1buffer_flag )
	{
	
	  // For 1920x1080, YuvDim.iHeight is always rounded up, it is 1920x1088.
	  // For 3840x2160, YuvDim.iHeight is not rounded up, it is 3840x2160.
	  int const iWriteHeight = RoundUp(tYuvDim.iHeight, 64);

	  //int const iNumPix = tYuvDim.iHeight * tYuvDim.iWidth; // For I420 without extra padding bytes.
	  int const iRoundUpNumPix = iWriteHeight * iPitchSrcY;  // For NV12/NV16 with extra padding bytes.
	  //int const iNumPixC = AL_GetChromaMode(tRecFourCC) == AL_CHROMA_MONO ? 0 : ((tYuvDim.iWidth + sx - 1) / sx) * ((tYuvDim.iHeight + sy - 1) / sy);
	  int const iRoundUpLineNumPixC = (stRecChromaMode == AL_CHROMA_MONO) ? 0 : ((iPitchSrcUV + sx - 1) / sx) ;
	  int const iRoundUpNumPixC = iRoundUpLineNumPixC * ((iWriteHeight + sy - 1) / sy);
	  int i_y_buffer_size = iRoundUpNumPix * iSizePix;
	  int i_uv_buffer_size = 2 * iRoundUpNumPixC * iSizePix;		  
	  int i_yuv_buffer_size = i_y_buffer_size + i_uv_buffer_size;
	  
	  // Display YUV file: 1920x1080: 2048x1088; 3840x2160: 3840 x 2176
	  if( 1 == i_call_time )
	  {
		  LogInfo("Diplay NV12/NV16 YUV file of one continuous buffer with Height:%d, Y Width:%d, UV Width:%d at %s:%d.\n", 
				iWriteHeight, iPitchSrcY, iPitchSrcUV, __func__, __LINE__ );
	  }
	  YuvFile.write((const char*)p_buff_y_plane, i_yuv_buffer_size);
	}
	else
	{
	  int iWriteHeight;
	  int iWriteYWidth;
	  int iWriteUVWidth;

	  // For 1920x1080, YuvDim.iHeight is always rounded up, it is 1920x1088.
	  // For 3840x2160, YuvDim.iHeight is not rounded up, it is 3840x2160.
	  if( 1 == gi_yuv_output_nvx_stride_flag )
	  {
		  iWriteHeight = tYuvDim.iHeight;
		  iWriteYWidth = iPitchSrcY;
		  iWriteUVWidth = 2 * ((iPitchSrcUV + sx - 1) / sx);
		  LogVerbose("Diplay NV12/NV16 YUV file of stride with Height:%d, Y Width:%d, UV Width:%d at %s:%d.\n", 
				tYuvDim.iHeight, iPitchSrcY, iPitchSrcUV, __func__, __LINE__ );
	  }
	  else
	  {
		  if( 0 != gi_yuv_output_dispay_height )
		  {
			  // Display YUV file: 1920x1080: 1920x1080.
			  iWriteHeight = gi_yuv_output_dispay_height;
		  }
		  else
		  {
			  // Display YUV file: 1920x1080: 1920x1088.
			  iWriteHeight =tYuvDim.iHeight;
		  }
		  
		  if( 0 != gi_yuv_output_dispay_width )
		  {
			  iWriteYWidth = gi_yuv_output_dispay_width;
			  iWriteUVWidth = 2 * ((gi_yuv_output_dispay_width + sx - 1) / sx);
		  }
		  else
		  {
			  iWriteYWidth =tYuvDim.iWidth;
			  iWriteUVWidth = 2 * iLineNumPixC;
		  }
		  
	  }
	  if( 1 == i_call_time )
	  {
		  LogInfo("Diplay NV12/NV16 YUV file with Height: %d, Y Width: %d, UV Width: %d at %s:%d.\n", 
					iWriteHeight, iWriteYWidth, iWriteUVWidth, __func__, __LINE__ );
	  }

		// two writes, skipp padding bytes between Y plane and UV plane.
		uint8_t* p_buff_y=p_buff_y_plane;
		int iYBytes=0;
		for( int i=0; i

5. 測試

1920x1080分辨率時，以內存塊分辨率輸出，分辨率是1920x1088；以pitch長度和分辨率高度向上對齊后輸出，分辨率是2048x1088；以pitch長度和Meta分辨率的高度輸出，分辨率是2048x1088；以顯示分辨率輸出，分辨率是1920x1080。如果沒有特殊說明，圖像都是NV12格式的，也是以NV12格式顯示。

查看YUV文件時，必須設置正確的分辨率和格式，否則數據顯示會混亂。

以分辨率1920x1080顯示選項“-yuv-nvx-dispay”輸出的圖片，結果正常。

以分辨率2048x1088顯示選項“-yuv-nvx-1buffer”輸出的圖片，結果正常。右邊有一塊紅色圖像，是因為對應的內存區沒有真實圖像數據。

以分辨率2048x1088顯示選項“-yuv-nvx-stride”輸出的圖片，結果正常。右邊也有一塊紅色圖像。

5.1.1. 分辨率顯示格式錯誤的現象

以分辨率1920x1080顯示分辨率2048x1088圖片，圖像混亂了。因為實際圖像數據每行2048字節，顯示時每行1920字節，所以讀出的數據混亂了，上面的連續紅色塊變成了小塊，分布到了圖像各處。

以分辨率2048x1080顯示分辨率2048x1088圖片，最上面有綠條，因為把8行的Y分量數據當成了UV分量數據。這8行的實際圖像是黑色的。

5.2. 3840x2160分辨率

3840x2160分辨率時，以pitch長度和分辨率高度向上對齊后的分辨率輸出，分辨率是3840x2176；其它模式輸出，分辨率都是3840x2160。

以分辨率3840x2160顯示選項“-yuv-nvx-dispay”輸出的圖片，結果正常。

以分辨率3840x2176顯示選項“-yuv-nvx-1buffer”輸出的圖片，結果正常。下面有一條綠色，也是因為對應的內存區沒有有效的圖像數據。

5.2.1. x2160分辨率顯示格式錯誤的現象

以分辨率3840x2176格式顯示分辨率3840x2160的圖片，最下面有綠條，是因為把部分UV分量數據當成了Y分量數據，導致最下面部分圖像缺少UV分量數據。

以分辨率3840x2160、I420格式顯示選項“-yuv-nvx-stride”輸出的NV12分辨率3840x2176圖片，輪廓正常，色彩異常。輪廓正常，是因為對Y分量數據的解析是對的；色彩異常是因為對UV分量數據的解析是錯的。

6. 未來工作

XilinxPG252 (v2020.2) H.264/H.265 Video Codec Unit v1.2 Solution 　　審核編輯：湯梓紅