基于H.264的Exp-Golomb解碼器ASIC設計

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。