优秀的 Verilog/FPGA开源项目介绍（十）-H.264和H.265

塞巴斯蒂安

H.264及H.265简介：

一、什么是H.265

H.265是ITU-TVCEG继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。

新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。具体的研究内容包括：提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H264由于算法优化，可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送；H265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P（分辨率1280*720）普通高清音视频传送。

H.265旨在在有限带宽下传输更高质量的网络视频，仅需原先的一半带宽即可播放相同质量的视频。这也意味着，我们的智能手机、平板机等移动设备将能够直接在线播放1080p的全高清视频。H.265标准也同时支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清视频。可以说，H.265标准让网络视频跟上了显示屏“高分辨率化”的脚步。

二、什么是H.264

H.264，同时也是MPEG-4第十部分，是由ITU-T视频编码专家组（VCEG）和ISO/IEC动态图像专家组（MPEG）联合组成的联合视频组（JVT，Joint Video Team）提出的高度压缩数字视频编解码器标准。这个标准通常被称之为H.264/AVC（或者AVC/H.264或者H.264/MPEG-4AVC或MPEG-4/H.264 AVC）而明确的说明它两方面的开发者。

H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。举个例子，原始文件的大小如果为88GB，采用MPEG-2压缩标准压缩后变成3.5GB，压缩比为25∶1，而采用H.264压缩标准压缩后变为879MB，从88GB到879MB，H.264的压缩比达到惊人的102∶1。

低码率（Low Bit Rate）对H.264的高的压缩比起到了重要的作用，和MPEG-2和MPEG-4ASP等压缩技术相比，H.264压缩技术将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。尤其值得一提的是，H.264在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像，正因为如此，经过H.264压缩的视频数据，在网络传输过程中所需要的带宽更少，也更加经济。

针对H.264编码格式，根据不同分辨率，推荐其对应的码率配置关系如下图所示：

宽屏 ：

非宽屏 ：

三、H.265与H.264有何不同

在讨论H.265有哪些提升和优点之前，我们不妨先来了解一下H.264。H.264也称作MPEG-4AVC(Advanced Video Coding，高级视频编码)，是一种视频压缩标准，同时也是一种被广泛使用的高精度视频的录制、压缩和发布格式。H.264因其是蓝光光盘的一种编解码标准而著名，所有蓝光播放器都必须能解码H.264。更重要的是，因为苹果公司当初毅然决然抛弃了Adobe的VP6编码，选择了H.264，这个标准也就随着数亿台iPad和iPhone走入了千家万户，成为了目前视频编码领域的绝对霸主，占有超过80%的份额。

H.264也被广泛用于网络流媒体数据、各种高清晰度电视广播以及卫星电视广播等领域。H.264相较于以前的编码标准有着一些新特性，如多参考帧的运动补偿、变块尺寸运动补偿、帧内预测编码等，通过利用这些新特性，H.264比其他编码标准有着更高的视频质量和更低的码率，也因此受到了人们的认可，而被广泛应用。

H.265/HEVC的编码架构大致上和H.264/AVC的架构相似，也主要包含：帧内预测(intra prediction)、帧间预测(inter prediction)、转换(transform)、量化(quantization)、去区块滤波器(deblocking filter)、熵编码(entropy coding)等模块。但在HEVC编码架构中，整体被分为了三个基本单位，分別是：编码单位(coding unit，CU)、预测单位(predict unit，PU)和转换单位(transform unit，TU)。

复旦大学H.264/H.265开源IP

H.265 Video Encoder IP Core 是开源的H.265硬件视频编码器，实现了H.265（或叫HEVC）的大部分功能。它由复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室（State Key Lab of ASIC & System，Fudan University）视频图像处理实验室（VIP Lab）范益波教授研究团队开发完成，并开放源代码。任何组织个人可以无偿使用上述代码用于研究和生产目的，VIP Lab将会持续更新并维护H.265硬件视频编码器的开发。

开源地址

上面有开源的IP core和仿真教程，同时在B站上还有官方的简介视频，这里我就不详细介绍了，因为我还没时间验证一下，有需求的朋友可以先看看视频，同时因为该网站需要登录才能下载，我也把下载下来的文件分享给大家，大家可以先预览一下，有兴趣或者问题可以注册一下会员，去网站上下载和留言，我看上面工作人员还是回答问题很快的。

百度链接：https://pan.baidu.com/s/1q_QQa5ZedrEUpY3bpigHNw
提取码：ipa5

关于上板验证

网站上有相关的验证板卡代码，如下：

github上的开源H.265

开源地址： https://github.com/tishi43/h265_decoder

用verilog和system verilog编写，在FPGA板上用Xilinx ZYNQ7035验证，运行最高225MHZ。

1. 内容

文件夹“src”包含所有解码源文件。文件夹“tb”包含测试台文件，ext_ram_32.v 使用 axi3 接口模拟 ddr。文件夹“pli_fputc”是verilog pli，用于在运行模拟时将输出bin写入文件。

2. 使用方法

模拟：将所有测试平台和源代码文件添加到您的模拟项目源中，例如modelsim。将测试文件 in.265 放到您的模拟项目文件夹中。然后运行，例如，对于modelsim，运行“vsim -pli pli_fputc.dll bitstream_tb”。输出是 out.yuv 和一些日志文件。

在 FPGA 板上运行：将“src”文件夹中的源文件添加到您的 FPGA 项目中。顶部文件是 decode_stream.sv。两个接口，stream_mem_xxx 用于将 H265 比特流馈送到解码器，

github上的开源H.264

开源地址：https://github.com/aiminickwong/H264

无介绍

说明

第一个项目由复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室（State Key Lab of ASIC & System，Fudan University）视频图像处理实验室（VIP Lab）推出，不论项目完成度还是文档说明，都非常详细，同时上面给的是该项目的论坛，论坛上有相关工作人员维护，活跃度很高，适合去学习使用。

后面两个项目，我们并没验证过，但是感觉不怎么靠谱，README完整度不高，有兴趣的可以去看看。

最后，还是感谢各个大佬开源的项目，让我们受益匪浅。

完