H．264中二進(jìn)制化編碼器的FPGA實現(xiàn)

1 引言
    隨著數(shù)字電視及視頻會議的發(fā)展以及應(yīng)用，H．264由于其更高的壓縮比、更好的圖像質(zhì)量和良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性而備受關(guān)注。
    基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)則作為H．264編碼器系統(tǒng)的最后一環(huán)，對整個編碼性能影響較大。CABAC充分考慮視頻流的相關(guān)性．能適應(yīng)信號統(tǒng)計特性的變化，容易達(dá)到漸進(jìn)性能，編碼速度較高，但復(fù)雜度大，這造成單純用軟件編碼難以達(dá)到很高的性能，特別是對于高清晰度視頻(HDTV)不能實現(xiàn)實時編碼，這就需要硬件加速或設(shè)計專門的硬件編碼電路。
    目前，已有相應(yīng)的硬件加速電路設(shè)計問世，但主要是對算術(shù)編碼部分進(jìn)行設(shè)計，整體性能仍不夠理想。這里在對以往加速電路分析的基礎(chǔ)上，把握CABAC整個編碼原理，主要對其中的二進(jìn)制化部分進(jìn)行優(yōu)化，對相應(yīng)的二進(jìn)制化方法進(jìn)行歸類優(yōu)化，采用并行運(yùn)算的方案，最終在FPGA上以較優(yōu)的速度和資源實現(xiàn)硬件編碼。

2 二進(jìn)制化原理
    CABAC實現(xiàn)方案包括3個過程：語法元素的二進(jìn)制化、上下文建模、自適應(yīng)算術(shù)編碼，圖1是CABAC編碼器基本結(jié)構(gòu)。

    二進(jìn)制化是CABAC編碼的第1步，提高二進(jìn)制化模塊的編碼速度有助于整個系統(tǒng)速度的提高。在二進(jìn)制化過程中，一個給定的非二進(jìn)制語法元素被唯一地映射到一個二進(jìn)制序列(Bin String)，其中的每一位稱為Bin。
    如果輸入為給定的二進(jìn)制語法元素，則此步就可以越過，隨后的步驟由編碼模式?jīng)Q定。
    在H．264標(biāo)準(zhǔn)中。語法元素較多，約有20多種，而二進(jìn)制轉(zhuǎn)換使這些語法元素的二進(jìn)制表示接近最小冗余編碼，以減少碼流。
    CABAC中二進(jìn)制轉(zhuǎn)換有4種基本類型：一元(U)編碼、截斷一元(TU)編碼、指數(shù)哥倫布(EGK)編碼和定長(FL)編碼。另外，還可通過這幾種編碼方式的串聯(lián)進(jìn)行二進(jìn)制化轉(zhuǎn)換。
2．1 一元(U)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換方案
    對于一個無符號語法元素x≥0，CABAC中的一元碼字是由x個“1”串連并在結(jié)尾處加上“0”，因此一元二進(jìn)制化的長度是x+1，如表1所示，其中Binldx表示字符串的索引。一般來講，U二進(jìn)制轉(zhuǎn)換主要用于參考幀隊列預(yù)測語法元素的編碼。

2．2 截斷一元(TU)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換方案
    截斷一元二進(jìn)制化對語法元素的值有要求，只對不大于某個界限值(S)的語法元素進(jìn)行二進(jìn)制化。若語法元素值小于S，則其二進(jìn)制化結(jié)果同一元二進(jìn)制化；若語法元素值等于S，則其結(jié)果為S個“1”。一般，TU二進(jìn)制轉(zhuǎn)換主要用于幀內(nèi)色度預(yù)測模式的編碼。
2．3 指數(shù)哥倫布(EGK)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換方案
    EGK編碼最初由Teuhola在上下文控制長度編碼方案中提出，是由Golomb編碼派生的。EGK編碼由一個前綴和后綴碼字串聯(lián)構(gòu)成，其前綴部分由一元碼字l(x)=[log2(x／2k+1)]的值組成，其后綴部分由x+2k(1-2l(x))計算得出。一般，EGK二進(jìn)制轉(zhuǎn)換主要用于殘差以外數(shù)據(jù)的編碼，具體情形視編碼器的設(shè)置而定。EGK二進(jìn)制化隨后取值的不同而不同，k的取值為非負(fù)整數(shù)。
2．4 固定長度(FL)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換方案
    固定長度二進(jìn)制化適用于語法元素值x小于界限值S的情況。方法為直接用x值的二進(jìn)制表示形式作為其二進(jìn)制化結(jié)果，長度同定為：lFL=[log2S]的向上取值。一般，F(xiàn)L二進(jìn)制轉(zhuǎn)換被用于統(tǒng)一分配的語法元素，編碼塊的圖形符號部分關(guān)系到亮度殘差。
2．5 基本二進(jìn)制轉(zhuǎn)換的串聯(lián)方案
    由以上各種二進(jìn)制方式可以再推導(dǎo)出3種基本的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換方案。第1種是4位FL前綴與TU后綴(S=2)的串聯(lián)，而第2和第3種方案來自TU和EGK二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，稱為UEGK。這些方案被用于運(yùn)動矢量微分和變換系數(shù)取絕對值。另外語法元素mb_type和sub_mb_type二進(jìn)制化使用遍歷二叉樹方法，對應(yīng)的二叉樹已在參考文獻(xiàn)中給出。

3 二進(jìn)制化編碼方案優(yōu)化
    H．264標(biāo)準(zhǔn)中的二進(jìn)制化編碼流程是串行的，適合軟件的實現(xiàn)，但由于待編語法元素較多，導(dǎo)致執(zhí)行速度慢且效率低下。而硬件實現(xiàn)的最大優(yōu)勢在于其并行性，可大大提高執(zhí)行效率。因此，為提高編碼速度，在不改變算法實質(zhì)的前提下，對標(biāo)準(zhǔn)中的編碼流程進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，以利于硬件實現(xiàn)。主要提出以下優(yōu)化措施：
    (1)將語法元素歸類按照基本的編碼方法及H．264對各語法元素的要求，可將20余種語法元素的二進(jìn)制編碼方法歸為6類，包括U二進(jìn)制化、UEGKO二進(jìn)制化(k=0，uco-eff=14)、UEGK3二進(jìn)制化(k=3，ucoeff=9)、宏塊／子宏塊類型二進(jìn)制化、宏塊量化偏移二進(jìn)制化，定長與截斷串聯(lián)的二進(jìn)制化。將語法元素歸類，將有效減小編碼過程中的繁雜和無序性，有利于編碼正常完成。
    (2)并行化設(shè)計語法元素的二進(jìn)制化方法可歸為8類，在設(shè)計中，采用控制單元辨別相應(yīng)的語法元素，并送入二進(jìn)制化模塊進(jìn)行編碼。但依照H．264標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，二進(jìn)制化單元的入口地址不僅取決于語法元素的值，還取決于語法元素的種類，這種數(shù)據(jù)依存關(guān)系無疑增加了運(yùn)算量。且輸出是串行，不利于流水線設(shè)計，這樣就將降低系統(tǒng)的時鐘頻率。故采用一種并行設(shè)計方案，以語法元素值為輸入，結(jié)果得到6個不同的輸出，將它們鎖存后，利用多路選擇器以語法元素種類作為控制端選出所需的值。兩種不同的實現(xiàn)方式見圖2。

4 二進(jìn)制化編碼的FPGA實現(xiàn)
    改進(jìn)后的二進(jìn)制化編碼主要包括：控制單元、二進(jìn)制化編碼單元及選擇輸出單元，如圖3所示。

    電路主要分為5級流水線實現(xiàn)。在第1級流水線中，語法元素(SE)、時鐘信號(clk)、上下文模型參量(a、b)等輸入數(shù)據(jù)進(jìn)入控制單元?？刂茊卧捎帽容^器實現(xiàn)，通過比較給定數(shù)值與輸入數(shù)值的范圍確定語法元素的種類，通過種類信號(selector)輸出選擇所采取的二進(jìn)制化方式。
    第2級流水線包含6個模塊，分別代表6種二進(jìn)制化方法。其中U編碼、mb_type／sub_mb_type語法元素編碼模塊較易實現(xiàn)。因為輸入語法元素的位寬為6位，數(shù)據(jù)量不大，分別按照其編碼方法制成碼表，且此碼表所耗資源不多，在硬件實現(xiàn)時以RAM的方式實現(xiàn)，速度較快。對于UEGK0和UEGK3 編碼模塊的實現(xiàn)，則需采用U編碼和EGK編碼相結(jié)合的硬件方式完成，具體基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    圖4中，首先由預(yù)處理器判斷目前比特所進(jìn)行的編碼，在EGK編碼中，主要采用首一檢測及桶形移位技術(shù)實現(xiàn)，最后將兩種編碼相加輸出。
    對于UEGK0和UEGK3編碼模塊，只需選取不同閾值可實現(xiàn)。對于語法元素mb_qp_delta，采用有正負(fù)符號的EGK編碼，正負(fù)號由語法元素值的奇偶性決定。對于語法元素coded_block_patterm，則采用FL與TU相結(jié)合的編碼方式，因FL與TU編碼的數(shù)據(jù)量均不大，故采用查表方式實現(xiàn)，這樣可提高速度，其中FL編碼的界限值為15，TU編碼的界限值為2。
   第3級流水線的主要功能是選擇。第2級輸出包括已編元素(binary_value)和上下文模型參量(ctxOffset0、ctxOff-set)，在第3級中，通過選擇信號(selector)對不同輸出作以選擇。第4級流水線為32位先進(jìn)先出(FIFO)存儲器。對結(jié)果進(jìn)行緩存，有利于下一級處理。
    第5級為串行化器，主要對二進(jìn)制化的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其按位輸出，并將二進(jìn)制化后的每一位加入其對應(yīng)的上下文模型，以便后續(xù)處理。整個系統(tǒng)的輸出即為二進(jìn)制化后的每位數(shù)據(jù)(sda)及其偏移(ctxIdxl)。

5 電路仿真及性能分析
    該算法經(jīng)VC++仿真驗證，可對H．264標(biāo)準(zhǔn)中的主要檔次視頻碼流進(jìn)行編碼，其結(jié)果與H．264標(biāo)準(zhǔn)程序JM8．6相同。電路結(jié)構(gòu)采用Verilog語言進(jìn)行RTL級描述，并用mod-elsim6．0軟件仿真，后仿真波形如圖5所示。

    由圖5可看出，每個周期中，在使能信號有效的情況下，在時鐘的上升沿，可產(chǎn)生1 bit數(shù)據(jù)sda及相應(yīng)的偏移量ctx-Idx1，滿足設(shè)計時序要求。電路在Spartan3 FPGA上綜合、布局布線，使用Synplify丁具進(jìn)行綜合，最高時鐘頻率為100 MHz，影響時鐘頻率的關(guān)鍵路徑為先進(jìn)先出存儲器模塊。將綜合好的edif電路網(wǎng)表文件輸入到后端FPGA廠商Xilinx的Foundation軟件進(jìn)行布局布線，生成二進(jìn)制流文件，邏輯單元為171，占總資源的4％。使用設(shè)計的電路對H．264標(biāo)準(zhǔn)中一些標(biāo)準(zhǔn)視頻序列進(jìn)行測試，序列質(zhì)量為QP=28，并與H．264標(biāo)準(zhǔn)程序JM8．6中二進(jìn)制化部分的編碼時間比較，結(jié)果如表2所示。

    綜上，本文對H．264編碼器二進(jìn)制化部分的優(yōu)化使其在速度上較軟件實現(xiàn)有較大提升，資源占用率也較少。二進(jìn)制化部分的硬件設(shè)計不僅能完成H．264標(biāo)準(zhǔn)中基本檔次的編碼，還有望應(yīng)用于更大尺寸更高質(zhì)量的實時視頻壓縮編碼。

6 結(jié)論
    在對H．264標(biāo)準(zhǔn)中二進(jìn)制化部分研究和分析的基礎(chǔ)上，提出其FPGA電路結(jié)構(gòu)，采用并行結(jié)構(gòu)及流水線方式設(shè)計電路。該結(jié)構(gòu)經(jīng)Spartan3 FPGA實現(xiàn)，其吞吐量為每周期1 bit，最大時鐘頻率為100 MHz，能夠滿足H．264中第3級及其以上檔次實時視頻編碼的要求。