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01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”。

02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

03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。

04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.

”，

iPitchSrcY， iPitchSrcUV， __func__， __LINE__ ）;

}

LogVerbose（“YUV Y Plane pitch：%d， UV Plane pitch：%d at %s：%d.

”， 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.

”，

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.

”，

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.

”， sx， sy， __func__， __LINE__ ）;

LogVerbose（“Height：%d， Width：%d at %s：%d.

”， tYuvDim.iHeight， tYuvDim.iWidth， __func__， __LINE__ ）;

LogVerbose（“Roundup Height：%d， Width：%d at %s：%d.

”， iRoundUpHeight， iPitchSrcY， __func__， __LINE__ ）;

LogVerbose（“iNumPix：%d， iLineNumPixC：%d， iNumPixC：%d， iSizePix：%d at %s：%d.

”， iNumPix， iLineNumPixC， iNumPixC， iSizePix， __func__， __LINE__ ）;

LogVerbose（“iRoundUpNumPix：%d， iRoundUpLineNumPixC：%d， iRoundUpNumPixC：%d at %s：%d.

”， iRoundUpNumPix， iRoundUpLineNumPixC， iRoundUpNumPixC， __func__， __LINE__ ）;

LogVerbose（“NV12/NV16 YUV Plane Y： %d， UV： %d YUV： %d bytes at %s：%d.

”，

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.

”，

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.

”，

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（?。╕uvFile.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_EChromaModestRecChromaMode = 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.

”， p_buff_y_plane， __func__， __LINE__ ）;

LogVerbose（“YUV data with VCU padding Height：%d， Y Width：%d， UV Width：%d at %s：%d.

”，

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.

”，

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.

”，

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.

”，

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《iWriteHeight; i++ ）

{

// Write each line of Y plane， and skipp padding bytes between each line.

YuvFile.write（（const char*）p_buff_y， iWriteYWidth）;

p_buff_y = p_buff_y + iPitchSrcY;

iYBytes+=iWriteYWidth;

}

uint8_t* p_buff_uv_plane = AL_PixMapBuffer_GetPlaneAddress（&tRecBuf， AL_PLANE_UV）;

LogVerbose（“NV12/NV16 YUV data UV Plane address： %p at %s：%d.

”， p_buff_uv_plane， __func__， __LINE__ ）;

uint8_t* p_buff_uv=p_buff_uv_plane;

int iUVBytes=0;

for（ int i=0; i《（iWriteHeight/sy）; i++ ）

{

// Write each line of UV plane， and skipp padding bytes between each line.

YuvFile.write（（const char*）p_buff_uv， iWriteUVWidth）;

p_buff_uv = p_buff_uv + iPitchSrcUV;

iUVBytes+=iWriteUVWidth;

}

LogVerbose（“write NV12/NV16 YUV data Y： %d bytes， UV： %d bytes at %s：%d.

”，

iYBytes， iUVBytes， __func__， __LINE__ ）;

}

055. 測試

在開發過程中，測試了1920x1080、3840x2160分辨率的NV12圖像。

5.1. 1080分辨率

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