基于H.264的Exp-Golomb解碼器ASIC設(shè)計(jì)

本文的研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)H．264標(biāo)準(zhǔn)中的Exp-Golomb解碼器，在對其算法進(jìn)行深入探討的基礎(chǔ)上，提出了一種高效且低成本的ASIC實(shí)現(xiàn)方案。

Exp-Golomb編碼原理及解碼算法分析

在H．264基本規(guī)范中，除了殘差變換系數(shù)采用CAVLC編碼方式外，其它句法元素均使用Exp-Golomb編碼。Exp-Golomb編碼是一種有規(guī)則的變長編碼方式，在各類視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中被廣泛應(yīng)用。Exp-Golomb編碼基于符號(hào)的概率統(tǒng)計(jì)進(jìn)行編碼，用短碼字來表示出現(xiàn)概率高的信息，用長碼字來表示出現(xiàn)概率低的信息，碼長與被編碼數(shù)成指數(shù)對應(yīng)關(guān)系，從而使總體平均碼字最短。與定長編碼方式相比，節(jié)省了大量存儲(chǔ)空間。

在H．264中采用的是0階Exp-Golomb編碼，編碼規(guī)則如圖1所示。

Exp-Golomb碼字的邏輯結(jié)構(gòu)為：[M zeros][1][INFO]。其中M個(gè)0和中間的1稱為前綴，INFO是M位的信息值，因此，每個(gè)Exp-Golomb碼字的長度都為2M+ 1。每個(gè)索引字codenum經(jīng)過編碼都可以對應(yīng)一個(gè)如上結(jié)構(gòu)的碼字，它們之間的關(guān)系是：

codenum=2M+INFO-1 (1)

由式1可知，進(jìn)行Exp-Golomb解碼可先探測出碼字前連續(xù)O的個(gè)數(shù)，再取出后綴，經(jīng)該公式計(jì)算即可得到codenum值。在H．264中存在四種Exp-Golomb碼：無符號(hào)型ue(v)、有符號(hào)型se(v)、映射型me(v)和截?cái)嘈蛅e(v)。因此，對于解出的codenum值，根據(jù)句法元素類型的不同有四種映射方式，如表2所示。根據(jù)相應(yīng)描述完成映射后，輸出syntax即為解碼值。

Exp-Golomb解碼器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于以上解碼算法設(shè)計(jì)的Exp-Golomb解碼器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由以下模塊組成：輸入碼流緩沖移位模塊、碼長檢測模塊、 codenum生成模塊以及句法元素映射模塊。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先由碼流緩沖移位模塊提供待解碼字，然后由碼長檢測模塊中的首一檢測器探測出連續(xù)0 的個(gè)數(shù)，即時(shí)計(jì)算得出當(dāng)前碼長送至累加器。同時(shí)，首一檢測的結(jié)果和待解碼字一起送至codenum計(jì)算模塊，經(jīng)移位、相減得到codenum值。最后將 codenum送至四個(gè)映射單元處理，最終解碼句法元素由選擇器輸出至寄存器。整個(gè)解碼流程用一個(gè)時(shí)鐘周期完成。下文將詳細(xì)敘述各功能子模塊的硬件結(jié)構(gòu)。

輸入碼流緩沖移位模塊

輸入碼流緩沖移位模塊是實(shí)現(xiàn)H．264實(shí)時(shí)解碼的關(guān)鍵模塊。由于在每個(gè)變長解碼流程中，碼長不可能事先確定，所以在解出碼值的同時(shí)必須定位下一個(gè)碼字。這就要求該模塊具有快速響應(yīng)和并行輸出的特點(diǎn)。由于H．264中定義Exp-Golomb碼最大碼長不超過32，設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)32位寄存器，一個(gè)32位桶形移位器及一個(gè)累加器的組合來實(shí)現(xiàn)該功能，如圖1左端所示。其中，寄存器Rn負(fù)責(zé)從外部模塊讀取數(shù)據(jù)，并和寄存器R1一起作為桶形移位器的輸入； 在每個(gè)解碼周期，桶形移位器移出已解碼流的同時(shí)還要裝載新的待解碼流；而累加器則計(jì)數(shù)已處理碼長，傳送桶形移位器移位長度，判斷并控制R0的讀取和R1的更新。這樣就為后續(xù)處理單元提供了連續(xù)不間斷的碼流。