基于H.264的Exp-Golomb解码器ASIC设计

引言

ITU-T(国际电信联盟)和MPEG(运动图像专家组)联合推出了新一代视频压缩标准H.264/MPEG-4-10 AVC。它在DCT变换、熵编码、去块滤波等方面采用了一系列新技术，在相同的重建图像质量下比H.263和MPEG-4节约了50%的码率，在高码率应用中表现更加优越。同时，它具有良好的网络亲和性，对网络传输具有更好的支持。

但是，在获得优越性能的同时，H.264编码和解码的计算量和复杂度均有大幅度提升。H.264算法在编码端比H.263复杂3倍以上，在解码端复杂2倍左右。对于较高分辨率的视频源，单纯依靠软件方式实现H.264视频压缩算法，往往不能胜任，尤其难以进行实时解码。因此，采用硬件方式实现H.264视频压缩算法具有重要的意义。

本文的研究目标是设计H.264标准中的Exp-Golomb解码器，在对其算法进行深入探讨的基础上，提出了一种高效且低成本的ASIC实现方案。

Exp-Golomb编码原理及解码算法分析

在H.264基本规范中，除了残差变换系数采用CAVLC编码方式外，其它句法元素均使用Exp-Golomb编码。Exp-Golomb编码是一种有规则的变长编码方式，在各类视频编码标准中被广泛应用。Exp-Golomb编码基于符号的概率统计进行编码，用短码字来表示出现概率高的信息，用长码字来表示出现概率低的信息，码长与被编码数成指数对应关系，从而使总体平均码字最短。与定长编码方式相比，节省了大量存储空间。

在H.264中采用的是0阶Exp-Golomb编码，编码规则如图1所示。

Exp-Golomb码字的逻辑结构为:[M zeros][1][INFO]。其中M个“0”和中间的“1”称为前缀，INFO是M位的信息值，因此，每个Exp-Golomb码字的长度都为2M+1。每个索引字codenum经过编码都可以对应一个如上结构的码字，它们之间的关系是:

codenum=2M+INFO-1 (1)
由式1可知，进行Exp-Golomb解码可先探测出码字前连续“0”的个数，再取出后缀，经该公式计算即可得到codenum值。在H.264中存在四种Exp-Golomb码：无符号型ue(v)、有符号型se(v)、映射型me(v)和截断型te(v)。因此，对于解出的codenum值，根据句法元素类型的不同有四种映射方式，如表2所示。根据相应描述完成映射后，输出syntax即为解码值。

Exp-Golomb解码器

硬件结构设计

基于以上解码算法设计的Exp-Golomb解码器硬件结构如图1所示。整个系统主要由以下模块组成：输入码流缓冲移位模块、码长检测模块、codenum生成模块以及句法元素映射模块。系统上电复位后，首先由码流缓冲移位模块提供待解码字，然后由码长检测模块中的首一检测器探测出连续“0”的个数，即时计算得出当前码长送至累加器。同时，首一检测的结果和待解码字一起送至codenum计算模块，经移位、相减得到codenum值。最后将codenum送至四个映射单元处理，最终解码句法元素由选择器输出至寄存器。整个解码流程用一个时钟周期完成。下文将详细叙述各功能子模块的硬件结构。 [page]

输入码流缓冲移位模块

输入码流缓冲移位模块是实现H.264实时解码的关键模块。由于在每个变长解码流程中，码长不可能事先确定，所以在解出码值的同时必须定位下一个码字。这就要求该模块具有快速响应和并行输出的特点。由于H.264中定义Exp-Golomb码最大码长不超过32，设计中采用两个32位寄存器，一个32位桶形移位器及一个累加器的组合来实现该功能，如图1左端所示。其中，寄存器R0负责从外部模块读取数据，并和寄存器R1一起作为桶形移位器的输入；在每个解码周期，桶形移位器移出已解码流的同时还要装载新的待解码流；而累加器则计数已处理码长，传送桶形移位器移位长度，判断并控制R0的读取和R1的更新。这样就为后续处理单元提供了连续不间断的码流。

码长检测模块

该模块的主要组成部件是一个16位的首一检测器，其功能是检测出输入序列中第一个“1”之前连续“0”的个数。码长(2M+1)的获取只需将首一检测的结果与一个“1”位进行位拼接即可实现，无需额外电路。另外，考虑到响应速度和路径延时，首一检测器的设计采用分组并行探测方式，其硬件结构如图2所示。输入的16位码流分成4组，每组4位均通过一个4输入与门，得到4位输出信号后送至优先编码器1，从而判断出首“1”所在区间。同时与门的四个输出还作为选择器MUX的控制信号，片选出存在首“1”的4位数据，并将其送至优先编码器2，判断出首“1”的具体位置。最后将两个编码器的输出进行位拼接即可得到首“1”前连续“0”的个数M。

codenum计算模块和句法元素映射模块

codenum计算模块用于实现公式1的功能，设计中采用一个16位的桶形移位器结合一个16位减法器实现。桶形移位器根据首一检测结果，重新定位码流指针，正确输出码字中[1][INFO]部分，最后将[1][INFO]减去1即可得到codenum值。

关于句法元素映射模块，由于H.264中定义了四种Exp-Golomb码，如前文表2所描述，存在四种不同的映射方式，本设计中采用四块组合映射逻辑加一个多选器实现，具体结构如图1右端所示。其中ue直接等于codenum，se与te的映射则分别采用包含二选一电路的简单组合逻辑实现，而me的实现较复杂，需查找H.264标准中定义的运动矢量、量化参数的映射表格，设计中采用ROM结构实现查表。

综合、仿真结果与性能分析

在上述硬件架构下，使用Verilog HDL进行Exp-Golomb解码器电路设计，并在Xilinx公司的ISE 8.2开发环境下进行了功能验证，选择Virtex 2系列的XC2V250器件。使用Synplify 7. 7软件进行逻辑优化与综合，系统时钟频率可达104MHz。ISE完成布局布线后，通过ModelSim 5.8调用JM86生成的测试向量进行后仿真，最后与软件的计算结果相比较，验证了设计的正确性。

使用Synopsys公司的Design Compiler工具在0.18mm的SIMC CMOS工艺条件下，对RTL代码进行综合优化，时钟频率最高可以达到200MHz。通过设置不同的面积、时序及功耗约束条件，缩短关键路径的延时，综合出等效门数2276门、时钟频率为162MHz的最优设计。在此工作频率下，该Exp-Golomb硬件解码器电路解出一个句法元素只需耗用单个时钟周期，因此本设计可满足H.264高清晰度视频实时解码的要求。

结语

本文在分析H.264标准中Exp-Golomb解码算法的基础上，提出了一种高效、省面积的Exp-Golomb解码器架构。在Xilinx公司的ISE 8.2开发环境下使用Virtex 2平台对设计进行了验证，使用Synopsys公司的DC工具在SMIC 0.18mm CMOS工艺条件下，对设计进行了面积和时间的优化，在162MHz时钟频率下工作时，电路等效门数为2276门，达到了预期目标，为下一步工作打下了良好的基础。■

参考文献：
1. Joint Video Team (JVT) of ISO/IEC MPEG and ITU-T VCEG, Draft ITU-T recommendation and final draft international standard of joint video specification (ITU-T Rec. H.264 | ISO/IEC 14496-10 AVC).JVTG050,March 2003
2. T.Wiegand, G. J. Sullivan, G.Bjontegaard, and A.Luthra. Overview of the H.264/AVC Video Coding Standard[J]. IEEE Trans.Circuits and Syst.Video Technol., vol.13, no.7 pp.560-576, July 2003