ITU-T(國際電信聯盟)和MPEG(運動圖像專家組)聯合推出了新一代視頻壓縮標準H．264／MPEG一4-10 AVC。
它在DCT變換、熵編碼、去塊濾波等方面采用了一系列新技術，在相同的重建圖像質量下比H．263和MPEG-4節約了50％的碼率，在高碼率應用中表現更加優越。同時，它具有良好的網絡親和性，對網絡傳輸具有更好的支持。
但是，在獲得優越性能的同時，H.264編碼和解碼的計算量和復雜度均有大幅度提升。H．264算法在編碼端比H．263復雜3倍以上，在解碼端復雜2倍左右。對于較高分辨率的視頻源，單純依靠軟件方式實現H．264視頻壓縮算法，往往不能勝任，尤其難以進行實時解碼。因此，采用硬件方式實現H．264視頻壓縮算法具有重要的意義。
本文的研究目標是設計H．264標準中的Exp-Golomb解碼器，在對其算法進行深入探討的基礎上，提出了一種高效且低成本的ASIC實現方案。
Exp-Golomb編碼原理及解碼算法分析
在H．264基本規范中，除了殘差變換系數采用CAVLC編碼方式外，其它句法元素均使用Exp-Golomb編碼。Exp-Golomb編碼是一種有規則的變長編碼方式，在各類視頻編碼標準中被廣泛應用。Exp-Golomb編碼基于符號的概率統計進行編碼，用短碼字來表示出現概率高的信息，用長碼字來表示出現概率低的信息，碼長與被編碼數成指數對應關系，從而使總體平均碼字最短。與定長編碼方式相比，節省了大量存儲空間。
在H．264中采用的是0階Exp-Golomb編碼，編碼規則如圖1所示。
Exp-Golomb碼字的邏輯結構為：[M zeros][1][INFO]。其中M個0和中間的1稱為前綴，INFO是M位的信息值，因此，每個Exp-Golomb碼字的長度都為2M+ 1。每個索引字codenum經過編碼都可以對應一個如上結構的碼字，它們之間的關系是：
codenum=2M+INFO-1 (1)
由式1可知，進行Exp-Golomb解碼可先探測出碼字前連續O的個數，再取出后綴，經該公式計算即可得到codenum值。在H．264中存在四種Exp-Golomb碼：無符號型ue(v)、有符號型se(v)、映射型me(v)和截斷型te(v)。因此，對于解出的codenum值，根據句法元素類型的不同有四種映射方式，如表2所示。根據相應描述完成映射后，輸出syntax即為解碼值。
Exp-Golomb解碼器硬件結構設計
基于以上解碼算法設計的Exp-Golomb解碼器硬件結構如圖1所示。整個系統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。系統上電復位后，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0 的個數，即時計算得出當前碼長送至累加器。同時，首一檢測的結果和待解碼字一起送至codenum計算模塊，經移位、相減得到codenum值。最后將 codenum送至四個映射單元處理，最終解碼句法元素由選擇器輸出至寄存器。整個解碼流程用一個時鐘周期完成。下文將詳細敘述各功能子模塊的硬件結構。
輸入碼流緩沖移位模塊
輸入碼流緩沖移位模塊是實現H．264實時解碼的關鍵模塊。由于在每個變長解碼流程中，碼長不可能事先確定，所以在解出碼值的同時必須定位下一個碼字。這就要求該模塊具有快速響應和并行輸出的特點。由于H．264中定義Exp-Golomb碼最大碼長不超過32，設計中采用兩個32位寄存器，一個32位桶形移位器及一個累加器的組合來實現該功能，如圖1左端所示。其中，寄存器Rn負責從外部模塊讀取數據，并和寄存器R1一起作為桶形移位器的輸入； 在每個解碼周期，桶形移位器移出已解碼流的同時還要裝載新的待解碼流；而累加器則計數已處理碼長，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。這樣就為后續處理單元提供了連續不間斷的碼流。
碼長檢測模塊
該模塊的主要組成部件是一個16位的首一檢測器，其功能是檢測出輸入序列中第一個1之前連續0的個數。碼長(2M+1)的獲取只需將首一檢測的結果與一個1位進行位拼接即可實現，無需額外電路。另外，考慮到響應速度和路徑延時，首一檢測器的設計采用分組并行探測方式，其硬件結構如圖2所示。輸入的16位碼流分成4組，每組4位均通過一個4輸入與門，得到4位輸出信號后送至優先編碼器1，從而判斷出首1所在區間。同時與門的四個輸出還作為選擇器MUX的控制信號，片選出存在首1的4位數據，并將其送至優先編碼器2，判斷出首1的具體位置。最后將兩個編碼器的輸出進行位拼接即可得到首 1前連續O的個數M。
codenum計算模塊和句法元素映射模塊
codenum計算模塊用于實現公式1的功能，設計中采用一個16位的桶形移位器結合一個16位減法器實現。桶形移位器根據首一檢測結果，重新定位碼流指針，正確輸出碼字中[1][INFO]部分，最后將[1][INFO]減去1即可得到codenum值。
關于句法元素映射模塊，由于H．264中定義了四種：Exp-Golomb碼，如前文表2所描述，存在四種不同的映射方式，本設計中采用四塊組合映射邏輯加一個多選器實現，具體結構如圖1右端所示。其中ue直接等于codenum，se與te的映射則分別采用包含二選一電路的簡單組合邏輯實現，而me的實現較復雜，需查找H．264標準中定義的運動矢量、量化參數的映射表格，設計中采用ROM結構實現查表。
綜合、仿真結果與性能分析
在上述硬件架構下，使用Verilog HDL進行Exp-Golomb解碼器電路設計，并在Xilinx公司的ISE 8．2開發環境下進行了功能驗證，選擇Virtex 2系列的XC2V250器件。使用Synplify 7．7軟件進行邏輯優化與綜合，系統時鐘頻率可達104MHz。ISE完成布局布線后，通過ModelSim 5．8調用JM86生成的測試向量進行后仿真，最后與軟件的計算結果相比較，驗證了設計的正確性。
使用Synopsys公司的Design Compiler工具在0．18μm的SIMC CMOS工藝條件下，對RTL代碼進行綜合優化，時鐘頻率最高可以達到200MHz。通過設置不同的面積、時序及功耗約束條件，縮短關鍵路徑的延時，綜合出等效門數2276門、時鐘頻率為162MHz的最優設計。在此工作頻率下，該Exp-Golomb硬件解碼器電路解出一個句法元素只需耗用單個時鐘周期，因此本設計可滿足H．264高清晰度視頻實時解碼的要求。
結語
本文在分析H．264標準中Exp-Golomb解碼算法的基礎上，提出了一種高效、省面積的Exp-Golomb解碼器架構。在Xilinx公司的 ISE 8．2開發環境下使用Virtex 2平臺對設計進行了驗證，使用Synopsys公司的DC工具在SMIC 0．18μm CMOS工藝條件下，對設計進行了面積和時間的優化，在162MHz時鐘頻率下工作時，電路等效門數為2276門，達到了預期目標，為下一步工作打下了良好的基礎。