FPGA实现SDI视频H265压缩网络推流输出，基于VCU架构，支持12G-SDI 4K60帧，提供工程源码和技术支持

1、前言

Xilinx Zynq UltraScale+ ZUEV系列FPGA自带VCU视频编解码功能，VCU有以下特点：
• 支持多达 32 个流的同步编码和解码 （最大聚合带宽为3840x2160 @ 60fps）
• 低时延速率控制
• 灵活的速率控制：CBR、 VBR 和常量 QP
• 支持分辨率高达 4K UHD @ 60 Hz 的同步编码和解码
• 支持 8 K UHD (~15 Hz) 的降低帧速率

工程概述

本设计采用Zynq UltraScale+MPSoCs–XCZU4EV的高端型号FPGA实现SDI视频H265压缩网络推流输出；输入源为笔记本电脑接入HDMI转SDI盒子，输出SDI视频给FPGA；也可以使用SDI彩条发生器或者SDI相机直接输出给FPGA；SDI视频接入FPGA开发板板载的TI公司的LMH1219芯片做均衡处理，同时将单端信号转为差分信号；然后视频进入Xilinx官方提供的UHD-SDI GT IP核做解串处理，该IP调用GTH高速接口资源将SDI视频解串为AXI4-Stream视频流和控制流，然后进入Xilinx官方提供的SMPTE UHD-SDI RX SUBSYSTEM IP核做SDI视频解码处理，将视频转为RGB；到这里，12G-SDI 视频解码工作就完成了，解码后的视频为并行的TTL电平的数据，此时可以供用户做后续处理，比如缓存、颜色转换、缩放、图像识别等；然后然后调用Xilinx官方的Video Frame Buffer Write IP核将SDI视频写入PS侧的DDR4中缓存；然后然后调用Xilinx官方的Zynq UltraScale+ VCU IP核读出图像并作H265压缩；至此，整个FPGA工程已经完成；然后编译工程，导出.xsa文件，并在PetaLinux中做嵌入式Linux启动文件，在Linux软件设计中，将压缩的H265视频码流通过TCP协议从网口发送出去，在PC端可通过LVC播放器播放压缩的H265码流；然后将做好的Linux启动文件复制到TF卡中，插上TF卡即可启动Linux系统，在Xshell中即可操作终端进行配置；

本设计提供资源如下：
• 提供一套XCZU4EV开发板
• 提供一套Vivado2020.2版本的工程源码
• 提供一套编译好的固件，可启动Linux系统

本博客详细描述了Xilinx系列Zynq UltraScale+MPSoCs–XCZU4EV的高端型号FPGA做基于VCU的H265视频压缩的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，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学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；
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；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网以及其他开源免费获取渠道等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；部分模块源码转载自上述网络，版权归原作者所有，如有侵权请联系我们删除；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

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

本博已有的 SDI 编解码方案

我的博客主页开设有SDI视频专栏，里面全是FPGA编解码SDI的工程源码及博客介绍；既有基于GS2971/GS2972的SDI编解码，也有基于GTP/GTX资源的SDI编解码；既有HD-SDI、3G-SDI，也有6G-SDI、12G-SDI等；专栏地址链接如下：
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3、详细设计方案

设计框图

本设计使用的工程详细设计方案框图如下：

FPGA开发板

本UP主有下列FPGA开发板均可实现4K@60Hz视频 HDMI2.0的收发，本博客仅仅是介绍了其中Zynq UltraScale+系列的开发板实现方案，关于本博客使用的这款开发板详细信息，请参考我之前的博客，对这块开发板感兴趣的朋友可以咨询本UP获得；博客链接如下：
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视频输入

输入源为笔记本电脑接入HDMI转SDI盒子，输出SDI视频给FPGA；架构如下：

如需支持12G SDI 4K60帧，你的笔记本电脑要能够输出4K@60Hz分辨率才行，可通过查看显示驱动版本确定是否支持4K@60Hz分辨率，一般驱动版本在20.0以上就是支持输出4K的；参考如下：

演示用的例程仅作1080P输入；
也可以使用SDI彩条发生器或者SDI相机直接输出给FPGA；
本博主热爱SDI视频开发，自研了一款12G-SDI彩条发生器，如下：

该设备价格低廉但很好用，可产生3G、6G、12G等多种分辨率的SDI视频彩条，通过一个按键切换，具体切换逻辑如下：
上电默认输出1080P@60Hz的彩条；
按第一下按键：输出1080P@50Hz的彩条；
按第二下按键：输出4K@60Hz的彩条；
按第三下按键：输出4K@50Hz的彩条；
按第四下按键：输出4K@30Hz的彩条；
按第五下按键：输出4K@25Hz的彩条；
该彩条发生器非常适合做SDI视频输入源，需要它的朋友，向本博主可有偿提供；

SDI硬件均衡器LMH1219

SDI接收端使用TI公司的LMH1219芯片做均衡处理，同时将单端信号转为差分信号，最高支持12G-SDI；
LMH1219和LMH1218可做硬件回环处理，这样可以将SDI视频做到极低的延时，本设计默认做了硬件回环处理，若需要FPGA接收SDI视频经处理再输出，需要i2c总线配置LMH1218，本设计工程即是这种方式；
另外，需要做LMH1219和LMH1218硬件回环的朋友，可联系本博主有偿提供硬件设计或成品；

UHD-SDI GT SDI视频解串

工程使用Xilinx官方提供的UHD-SDI GT IP核，可解串和串化3G、6G、12G SDI视频，本设计配置为最高的2G SDI，可向下兼容3G SDI、6G SDI视频，如下：

该IP直接调用GTH高速接口资源实现SDI视频的解串与串化，使用和配置非常方便，但需要指定SDI硬件连接的GT块位置和GT时钟引脚，此外，该IP不需要软件配置，可使用官方例程进行配套连接；

SMPTE UHD-SDI RX SUBSYSTEM SDI视频解码

工程使用Xilinx官方提供的SMPTE UHD-SDI RX SUBSYSTEM，可解码3G、6G、12G SDI视频，本设计配置为12G SDI，可向下兼容3G SDI、6G SDI视频，如下：

该IP需要软件配置，本设计提供了vitis软件驱动，详情请参考vitis工程；

Video Frame Buffer Write

Video Frame Buffer Write相当于精简版的VDMA，只具有视频写入DDR的功能，与VDMA相比具有YUV视频写入的功能，配置如下：

在Linux设计中可以对视频写入的基地址进行配置，通过终端指令配置；

Zynq UltraScale+ VCU

Zynq UltraScale+ VCU是Xilinx Zynq UltraScale+ ZUEV系列FPGA才有的IP，可以实现最高4K60帧的视频压缩和解压，IP的官方文档是《PG252》，读者可以自行前往阅读，Zynq UltraScale+ VCU配置如下：

输入视频格式为YUV420，最高分辨率配置为4K60帧；

PetaLinux 工程编译

注意！！！
注意！！！
注意！！！
本博主已经提供好已制作完成的启动文件，理论上PetaLinux 工程编译不不要您重复再做，如果您感兴趣，则可以做这一步。。。

PetaLinux版本：PetaLinux版本为2020.2，因为vivado用的vivado202.2，为了兼容性，建议使用与之配套的PetaLinux2020.2；
运行环境：Ubuntu操作系统，我用的Win10上虚拟机搭建的Ubuntu，当然也可以使用直接装Ubuntu操作系统的电脑；

第1步：导出vivado工程的.xsa文件，并放到Ubuntu下你新建的文件夹中；同时下载我们提供的BSP包，也放到Ubuntu下你新建的文件夹中；然后改变其用户权限，如下图：
• 终端指令：sudo chmod -R 777 文件名

第2步：配置PetaLinux2020.2环境变量，如下图：
• 终端指令：source /opt/pkg/petalinux/2020.2/settings.sh

第3步：建立基于BSP包的PetaLinux2020.2工程，如下图：
• 终端指令：petalinux-create -t project -s zu402_sd.bsp -n zu402_sd

第4步：将.xsa硬件信息导入PetaLinux2020.2工程，如下图：
• 终端指令：petalinux-config --get-hw-description=/home/文件路径/zu402_sd

在编译环境设置时，建议使用离线编译，当然，选择在线编译也是可以的，离线编译配置如下：
Yocto Settings → Add pre-mirror url如下，路径要改为你自己 download 及 ssate 的解压路径；

Yocto Settings → Local sstate feeds settings如下，路径要改为你自己 download 及 ssate 的解压路径；

其他配置保持默认即可，然后保存退出，如下：



第5步：修改设备树文件，如下图：
将我们提供的设备树文件替换掉PetaLinux工具自动生成的用户设备树文件；
• 终端指令：ln -sf zu402_sdirx.dtsi system-user.dtsi
• 终端指令：ls -l

第6步：编译PetaLinux2020.2工程，如下图：
• 终端指令：petalinux-build

如果编译中途有报错信息，请复制报错信息并百度寻找解决办法，因为每个人的电脑配置不一样，环境配置不一样，遇到的问题也不一样，无法给出统一的答案；

第7步：生成镜像，如下图：
• 终端指令：cd images/linux
• 终端指令：petalinux-package --boot --fsbl zynqmp_fsbl.elf --u-boot u-boot.elf --pmufw pmufw.elf --fpga
system.bit

然后把PetaLinux2020.2工程生成的如下几个文件连同我们提供好的脚本文件一起放入SD卡中，如下：

到此们就可以插入SD卡上电跑系统了；

VLC播放器

压缩后的H265码流可通过VLC播放器播放，关于VLC播放器的安装与使用，请参考下面的博客链接：
点击直接前往

工程源码架构

工程源码架构包括vivado Block Design逻辑设计和PetaLiux软件设计；
Block Design逻辑设计架构截图如下：

综合后的源码架构如下：

需要注意的是，在对Block Design进行Generate Output Products时需要选择Global模式，如下：

4、Vivado工程源码详解

开发板FPGA型号：Xilinx–Zynq UltraScale+MPSoCs–xczu4ev-sfvc784-2-i；
开发环境：Vivado2020.2；
输入：笔记本电脑，3G-SDI，最高支持12G-SDI 4K60帧；
输出：RJ45网口，H265压缩码流；
视频压缩方案：Zynq UltraScale+ VCU–H265；
工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；
工程作用：此工程目的是让读者掌握FPGA基于VCU的H265视频压缩的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程的资源消耗和功耗如下：

5、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；
2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件–>另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；

3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：

FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致，则需要更改FPGA型号，操作如下：



更改FPGA型号后还需要升级IP，升级IP的方法前面已经讲述了；

其他注意事项

1：由于每个板子的DDR不一定完全一样，所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置，甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP，重新配置；
2：根据你自己的原理图修改引脚约束，在xdc文件中修改即可；
3：纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核；

6、上板调试验证并演示

准备工作

FPGA开发板，推荐使用本博的开发板；
笔记本电脑，仅作输入源；
带显卡的电脑主机，显卡越贵越好；
网线；
我的开发板具体连接如下：

开发板有启动模式选择拨码开关，SD卡启动方式如下，请将开发板拨到如图的配置：

然后将资料中的如下图所示压缩包解压，并将解压后的全部文件复制到TF卡中：

然后插上TF卡，然后将串口线和网线连接到电脑，安装串口驱动，资料包中已经提供，上电；

配置Xshell

我们使用Xshell连接开发板模拟Linux终端的操作，Xshell配置如下：

配置开发板IP

首先需要配置开发板IP，配置为和你的电脑在同一网段即可，因为开发板压缩的码流视频需要发送给电脑；首先查看你的电脑IP，以我的为例如下：

然后在Xshell依次输入如下指令配置配置开发板IP，具体配置要根据你的电脑IP而定，这里只是以我的为例，如果这一步都看不懂建议不要往下看了。。。
• 终端指令：ifconfig
• 终端指令：ifconfig eth0 169.254.135.135
如下：

然后ping电脑IP，一定要能ping通，不然后面的操作就没意义了，如下：
• 终端指令：ping 169.254.135.77

配置输入视频

需要检测输入视频的格式，配置视频缩放，如下：
• 终端指令：media-ctl -p -d /dev/media0

配置H265视频压缩

输入如下指令：
• 终端指令：gst-launch-1.0 v4l2src device=/dev/video0 !
video/x-raw, width=1920, height=1080, format=NV16_10LE32, framerate=60/1
! omxh265enc target-bitrate=60000 periodicity-idr=120 ! queue
! mpegtsmux alignment=7 name=mux ! rtpmp2tpay ! udpsink host=169.254.135.77 port=5004
注意！！！
注意！！！
注意！！！
上述指令中的《udpsink host=169.254.135.77 port=5004》
这里的IP是根据我自己的电脑配置的，你的电脑请根据实际情况修改；端口号5004为固定值；

如果输入为12G-SDI，则分辨率为4K@30Hz，则指令变为如下：
• 终端指令：gst-launch-1.0 v4l2src device=/dev/video0 !
video/x-raw, width=3840, height=2160, format=NV16_10LE32, framerate=30/1
! omxh265enc target-bitrate=25000 periodicity-idr=120 ! queue
! mpegtsmux alignment=7 name=mux ! rtpmp2tpay ! udpsink host=169.254.135.77 port=5004

配置VLC播放器

开发板网线连接电脑，打开VLC播放器，配置如下：


这里一定要注意：这里的IP是根据我自己的电脑配置的，你的电脑请根据实际情况修改；
注意！！！
注意！！！
注意！！！
电脑端一定要用有显卡的电脑，不要用笔记本电脑，不然延时很大，根本无法播放。。。
播放效果如下：

同时可打开任务管理器–>性能，查看网卡正在接收数据，如下：

VLC播放H265码流视频演示

VLC播放H265码流视频演示如下：

7、福利：工程源码获取

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；
获取方式：私，或者博客末尾的V名片；
网盘资料如下：

此外，有很多朋友给本博主提了很多意见和建议，希望能丰富服务内容和选项，因为不同朋友的需求不一样，所以本博主还提供以下服务：