H.264/AVC中CAVLC編碼器的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

H.264/AVC是ITU-T和ISO聯(lián)合發(fā)布的國際視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)[1]，比特壓縮率分別是MPEG-4、H.263及MPEG-2的39%、49%及64%[2]，是一種高壓縮比的新標(biāo)準(zhǔn)?；趦?nèi)容的自適應(yīng)可變長編碼（CAVLC）是H.264中關(guān)鍵技術(shù)之一，應(yīng)用于H.264的基本檔次和擴(kuò)展檔次對亮度和色度殘差數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編解碼，編碼效率高，抗誤碼和糾錯能力強(qiáng)[3]，但計算復(fù)雜度大，用軟件編碼難以滿足高清視頻實時性要求。H.264編碼過程不涉及任何浮點數(shù)運算，特別適合硬件電路實現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]提出的CAVLC編碼可分成掃描和編碼2部分，掃描部分對殘差數(shù)據(jù)zig-zag逆序掃描后，提取出run-level標(biāo)志以及相關(guān)信息提供給編碼部分進(jìn)行編碼。文獻(xiàn)[5]對掃描模塊進(jìn)行了優(yōu)化。編碼模塊中非零系數(shù)級（level）編碼計算量最大，復(fù)雜度最高。本文充分利用FPGA高速實時特點，采用并行處理及流水線設(shè)計，通過優(yōu)化CAVLC編碼結(jié)構(gòu)和level編碼子模塊，提高CAVLC編碼器的性能。

1 CAVLC原理

CAVLC是一種依據(jù)4×4塊變換系數(shù)的zig-zag掃描順序進(jìn)行的編碼算法。塊系數(shù)的非零系數(shù)幅值較小，主要集中在低頻段，經(jīng)過zig-zag掃描后，連續(xù)零的個數(shù)較多，采用run-level游程編碼，通過編碼5個語義元素能夠?qū)崿F(xiàn)高效無損壓縮，編碼流程如圖1所示。zig-zag掃描后，順序編碼系數(shù)標(biāo)記(coeff_token)。尾1的符號（trailing_ones_sign_flag）、除尾1外非零系數(shù)的級(level)，最后一個非零系數(shù)前零的個數(shù)（total_zeros）和零的游程（run_before）。其中TC、T1、T0分別表示非零系數(shù)個數(shù)、尾1個數(shù)以及最后一個非零系數(shù)前零的個數(shù)。由于CAVLC編碼流程是串行的，軟件容易實現(xiàn)，但執(zhí)行速度慢且效率低。

2 CAVLC編碼器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 并行化編碼結(jié)構(gòu)

為了提高運算速度和效率，將圖1的CAVLC編碼流程并行化處理，適合FPGA實現(xiàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]提出的思路，將CAVLC編碼分成掃描和編碼2部分，見圖2。由zig-zag逆序掃描、統(tǒng)計、編碼、碼流整合4個模塊組成。zig-zag模塊和統(tǒng)計模塊構(gòu)成掃描部分，編碼模塊和碼流整合模塊構(gòu)成編碼部分，系統(tǒng)采用狀態(tài)機(jī)控制。由于trailing_ones_sign_flag、level和run_before都是從zig-zag掃描后序列的尾部開始編碼，所以本設(shè)計中zig-zag采用逆序掃描。統(tǒng)計模塊用計數(shù)器統(tǒng)計zig-zag逆序掃描輸出序列的TC、T1和T0，將尾1符號（T1_sign）、除尾1外的非零系數(shù)（coeffs）和零的游程（runbefore）存入緩存器并輸出。編碼模塊分成6個子模塊：NC生成模塊、coeff_token模塊、trailing_ones_sign_flag模塊、level模塊、total_zeros模塊以及run_before模塊。統(tǒng)計模塊給各編碼子模塊提供輸入數(shù)據(jù)，保證各編碼子模塊并行工作，減少了CAVLC編碼的時鐘周期，提高了編碼器執(zhí)行效率。由于CAVLC編碼是變長的，使得每個編碼子模塊的輸出碼流長度不確定，各編碼子模塊的碼字寄存器寬度不同。為了保證各編碼子模塊生成的碼字能夠緊湊無縫鏈接和有效存儲，在各編碼子模塊的碼字輸出中嵌入輸出標(biāo)志信號和碼長信息，當(dāng)輸出標(biāo)志信號為高電平時碼字與碼長有效，低電平時則無效，經(jīng)碼流整合模塊整合后輸出。

2.2 level編碼的優(yōu)化實現(xiàn)

非零系數(shù)級編碼是CAVLC編碼中復(fù)雜度最高、計算量最大、編碼延時最長的部分也是CAVLC編碼器高速、高效運行的瓶頸之一。根據(jù)H.264中CAVLC的level解碼步驟[6]可設(shè)計出相應(yīng)的編碼流程，如圖3所示。

(1)初始化suffixlength為0，如果TC>10，并且T13，則初始化為1。
(2)計算中間變量levelcode[i]：


(5)寫碼字。
非零系數(shù)級的碼字為“前綴碼字+后綴碼字”，前綴碼字為prefix個0后緊跟一個1（即前綴碼字為1，碼長為prefix+1），后綴碼字值為suffix，碼長為levelsuffixsize。

依據(jù)圖3編碼流程，level編碼所需的時鐘周期與TC和T1之差有關(guān)，不同的數(shù)據(jù)塊所需的時鐘周期不同，而編碼前需經(jīng)過掃描和統(tǒng)計。當(dāng)非零系數(shù)較多時，level編碼采用傳統(tǒng)的串行方式所需的時鐘周期可能比統(tǒng)計模塊所耗要多，導(dǎo)致不穩(wěn)定的吞吐量。另一方面，獲得level的碼字需知道該系數(shù)的prefix、suffix以及l(fā)evelsuffixsize，而levelsuffixsize的大小是自適應(yīng)變化的，與上一個已編碼系數(shù)的絕對值大小有關(guān)，這給并行處理帶來了一定困難。為此，采用并行處理和兩級流水線相結(jié)合的結(jié)構(gòu)并行處理2個非零系數(shù)，如圖4所示。第一級初始化suffixlength，求coeffs的絕對值及中間變量levelcode；第二級更新suffixlength，計算prefix，suffix和levelsuffixlength。模塊coeffs SIPO buffer實現(xiàn)串行輸入并行輸出，輸入輸出關(guān)系如圖5所示。

3 實驗驗證分析

Level編碼電路結(jié)構(gòu)采用Verilog HDL語言描述，在ModelSim SE 6.0上進(jìn)行仿真，使用Synplicity公司的Synplify Pro完成綜合過程。最后采用Xilinx公司VirtexⅡ系列的xc2v250 FPGA進(jìn)行實現(xiàn)和驗證。
圖6給出了ModelSim的仿真波形，其結(jié)果與JVT校驗軟件模型JM16.2[7]的值一致。從圖6可以看出，并行編碼TC-T1個level值比串行方式節(jié)省(TC-T1)/2個時鐘周期，當(dāng)非零系數(shù)較多時，也能獲得穩(wěn)定的吞吐量。表1給出了Synplify Pro綜合的硬件資源報告。系統(tǒng)允許的最高時鐘頻率為158.1 MHz，硬件資源消耗如表1所示。綜上所述，本設(shè)計滿足H.264實時高清視頻編碼的要求。