H．264中二進(jìn)制化編碼器的FPGA實現(xiàn)

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

5 電路仿真及性能分析
該算法經(jīng)VC++仿真驗證，可對H．264標(biāo)準(zhǔn)中的主要檔次視頻碼流進(jìn)行編碼，其結(jié)果與H．264標(biāo)準(zhǔn)程序JM8．6相同。電路結(jié)構(gòu)采用Verilog語言進(jìn)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(chǎn)生1 bit數(shù)據(jù)sda及相應(yīng)的偏移量ctx-Idx1，滿足設(shè)計時序要求。電路在Spartan3 FPGA上綜合、布局布線，使用Synplify丁具進(jìn)行綜合，最高時鐘頻率為100 MHz，影響時鐘頻率的關(guān)鍵路徑為先進(jìn)先出存儲器模塊。將綜合好的edif電路網(wǎng)表文件輸入到后端FPGA廠商Xilinx的Foundation軟件進(jìn)行布局布線，生成二進(jìn)制流文件，邏輯單元為171，占總資源的4％。使用設(shè)計的電路對H．264標(biāo)準(zhǔn)中一些標(biāo)準(zhǔn)視頻序列進(jìn)行測試，序列質(zhì)量為QP=28，并與H．264標(biāo)準(zhǔn)程序JM8．6中二進(jìn)制化部分的編碼時間比較，結(jié)果如表2所示。

綜上，本文對H．264編碼器二進(jìn)制化部分的優(yōu)化使其在速度上較軟件實現(xiàn)有較大提升，資源占用率也較少。二進(jìn)制化部分的硬件設(shè)計不僅能完成H．264標(biāo)準(zhǔn)中基本檔次的編碼，還有望應(yīng)用于更大尺寸更高質(zhì)量的實時視頻壓縮編碼。

6 結(jié)論
在對H．264標(biāo)準(zhǔn)中二進(jìn)制化部分研究和分析的基礎(chǔ)上，提出其FPGA電路結(jié)構(gòu)，采用并行結(jié)構(gòu)及流水線方式設(shè)計電路。該結(jié)構(gòu)經(jīng)Spartan3 FPGA實現(xiàn)，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。