H．264中二進制化編碼器的FPGA實現

1 引言
??? 隨著數字電視及視頻會議的發展以及應用，H．264由于其更高的壓縮比、更好的圖像質量和良好的網絡適應性而備受關注。
??? 基于上下文的自適應二進制算術編碼(CABAC)則作為H．264編碼器系統的最后一環，對整個編碼性能影響較大。CABAC充分考慮視頻流的相關性．能適應信號統計特性的變化，容易達到漸進性能，編碼速度較高，但復雜度大，這造成單純用軟件編碼難以達到很高的性能，特別是對于高清晰度視頻(HDTV)不能實現實時編碼，這就需要硬件加速或設計專門的硬件編碼電路。
??? 目前，已有相應的硬件加速電路設計問世，但主要是對算術編碼部分進行設計，整體性能仍不夠理想。這里在對以往加速電路分析的基礎上，把握CABAC整個編碼原理，主要對其中的二進制化部分進行優化，對相應的二進制化方法進行歸類優化，采用并行運算的方案，最終在FPGA上以較優的速度和資源實現硬件編碼。

2 二進制化原理
??? CABAC實現方案包括3個過程：語法元素的二進制化、上下文建模、自適應算術編碼，圖1是CABAC編碼器基本結構。

??? 二進制化是CABAC編碼的第1步，提高二進制化模塊的編碼速度有助于整個系統速度的提高。在二進制化過程中，一個給定的非二進制語法元素被唯一地映射到一個二進制序列(Bin String)，其中的每一位稱為Bin。
??? 如果輸入為給定的二進制語法元素，則此步就可以越過，隨后的步驟由編碼模式決定。

在H．264標準中。語法元素較多，約有20多種，而二進制轉換使這些語法元素的二進制表示接近最小冗余編碼，以減少碼流。
??? CABAC中二進制轉換有4種基本類型：一元(U)編碼、截斷一元(TU)編碼、指數哥倫布(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進行二進制化轉換。
2．1 一元(U)二進制轉換方案
??? 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”串連并在結尾處加上“0”，因此一元二進制化的長度是x+1，如表1所示，其中Binldx表示字符串的索引。一般來講，U二進制轉換主要用于參考幀隊列預測語法元素的編碼。

2．2 截斷一元(TU)二進制轉換方案
??? 截斷一元二進制化對語法元素的值有要求，只對不大于某個界限值(S)的語法元素進行二進制化。若語法元素值小于S，則其二進制化結果同一元二進制化；若語法元素值等于S，則其結果為S個“1”。一般，TU二進制轉換主要用于幀內色度預測模式的編碼。
2．3 指數哥倫布(EGK)二進制轉換方案
??? 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構成，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二進制轉換主要用于殘差以外數據的編碼，具體情形視編碼器的設置而定。EGK二進制化隨后取值的不同而不同，k的取值為非負整數。
2．4 固定長度(FL)二進制轉換方案
??? 固定長度二進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值的二進制表示形式作為其二進制化結果，長度同定為：lFL=[log2S]的向上取值。一般，FL二進制轉換被用于統一分配的語法元素，編碼塊的圖形符號部分關系到亮度殘差。

2．5 基本二進制轉換的串聯方案
??? 由以上各種二進制方式可以再推導出3種基本的二進制轉換方案。第1種是4位FL前綴與TU后綴(S=2)的串聯，而第2和第3種方案來自TU和EGK二進制轉換，稱為UEGK。這些方案被用于運動矢量微分和變換系數取絕對值。另外語法元素mb_type和sub_mb_type二進制化使用遍歷二叉樹方法，對應的二叉樹已在參考文獻中給出。

3 二進制化編碼方案優化
??? H．264標準中的二進制化編碼流程是串行的，適合軟件的實現，但由于待編語法元素較多，導致執行速度慢且效率低下。而硬件實現的最大優勢在于其并行性，可大大提高執行效率。因此，為提高編碼速度，在不改變算法實質的前提下，對標準中的編碼流程進行相應優化，以利于硬件實現。主要提出以下優化措施：
??? (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制編碼方法歸為6類，包括U二進制化、UEGKO二進制化(k=0，uco-eff=14)、UEGK3二進制化(k=3，ucoeff=9)、宏塊／子宏塊類型二進制化、宏塊量化偏移二進制化，定長與截斷串聯的二進制化。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)并行化設計語法元素的二進制化方法可歸為8類，在設計中，采用控制單元辨別相應的語法元素，并送入二進制化模塊進行編碼。但依照H．264標準設計，二進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，這種數據依存關系無疑增加了運算量。且輸出是串行，不利于流水線設計，這樣就將降低系統的時鐘頻率。故采用一種并行設計方案，以語法元素值為輸入，結果得到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。兩種不同的實現方式見圖2。

4 二進制化編碼的FPGA實現
??? 改進后的二進制化編碼主要包括：控制單元、二進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。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)等輸入數據進入控制單元。控制單元采用比較器實現，通過比較給定數值與輸入數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制化方式。

第2級流水線包含6個模塊，分別代表6種二進制化方法。其中U編碼、mb_type／sub_mb_type語法元素編碼模塊較易實現。因為輸入語法元素的位寬為6位，數據量不大，分別按照其編碼方法制成碼表，且此碼表所耗資源不多，在硬件實現時以RAM的方式實現，速度較快。對于UEGK0和UEGK3 編碼模塊的實現，則需采用U編碼和EGK編碼相結合的硬件方式完成，具體基本結構如圖4所示。

??? 圖4中，首先由預處理器判斷目前比特所進行的編碼，在EGK編碼中，主要采用首一檢測及桶形移位技術實現，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。對于語法元素mb_qp_delta，采用有正負符號的EGK編碼，正負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相結合的編碼方式，因FL與TU編碼的數據量均不大，故采用查表方式實現，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位先進先出(FIFO)存儲器。對結果進行緩存，有利于下一級處理。
??? 第5級為串行化器，主要對二進制化的數據進行處理，使其按位輸出，并將二進制化后的每一位加入其對應的上下文模型，以便后續處理。整個系統的輸出即為二進制化后的每位數據(sda)及其偏移(ctxIdxl)。

5 電路仿真及性能分析
??? 該算法經VC++仿真驗證，可對H．264標準中的主要檔次視頻碼流進行編碼，其結果與H．264標準程序JM8．6相同。電路結構采用Verilog語言進行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，可產生1 bit數據sda及相應的偏移量ctx-Idx1，滿足設計時序要求。電路在Spartan3 FPGA上綜合、布局布線，使用Synplify丁具進行綜合，最高時鐘頻率為100 MHz，影響時鐘頻率的關鍵路徑為先進先出存儲器模塊。將綜合好的edif電路網表文件輸入到后端FPGA廠商Xilinx的Foundation軟件進行布局布線，生成二進制流文件，邏輯單元為171，占總資源的4％。使用設計的電路對H．264標準中一些標準視頻序列進行測試，序列質量為QP=28，并與H．264標準程序JM8．6中二進制化部分的編碼時間比較，結果如表2所示。

??? 綜上，本文對H．264編碼器二進制化部分的優化使其在速度上較軟件實現有較大提升，資源占用率也較少。二進制化部分的硬件設計不僅能完成H．264標準中基本檔次的編碼，還有望應用于更大尺寸更高質量的實時視頻壓縮編碼。

6 結論
??? 在對H．264標準中二進制化部分研究和分析的基礎上，提出其FPGA電路結構，采用并行結構及流水線方式設計電路。該結構經Spartan3 FPGA實現，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。