如何利用FPGA技术实现H.264/AVC中CAVLC编码器设计并优化性能

　　H.264/AVC是ITU-T和ISO联合发布的国际视频压缩标准，比特压缩率分别是MPEG-4、H.263及MPEG-2的39%、49%及64%，是一种高压缩比的新标准。基于内容的自适应可变长编码（CAVLC）是H.264中关键技术之一，应用于H.264的基本档次和扩展档次对亮度和色度残差数据块进行编解码，编码效率高，抗误码和纠错能力强，但计算复杂度大，用软件编码难以满足高清视频实时性要求。H.264编码过程不涉及任何浮点数运算，特别适合硬件电路实现。文献提出的CAVLC编码可分成扫描和编码2部分，扫描部分对残差数据zig-zag逆序扫描后，提取出run-level标志以及相关信息提供给编码部分进行编码。文献对扫描模块进行了优化。编码模块中非零系数级（level）编码计算量最大，复杂度最高。本文充分利用FPGA高速实时特点，采用并行处理及流水线设计，通过优化CAVLC编码结构和level编码子模块，提高CAVLC编码器的性能。
　　1 CAVLC原理
　　CAVLC是一种依据4×4块变换系数的zig-zag扫描顺序进行的编码算法。块系数的非零系数幅值较小，主要集中在低频段，经过zig-zag扫描后，连续零的个数较多，采用run-level游程编码，通过编码5个语义元素能够实现高效无损压缩，编码流程如图1所示。zig-zag扫描后，顺序编码系数标记（coeff_token）。尾1的符号（trailing_ones_sign_flag）、除尾1外非零系数的级（level），最后一个非零系数前零的个数（total_zeros）和零的游程（run_before）。其中TC、T1、T0分别表示非零系数个数、尾1个数以及最后一个非零系数前零的个数。由于CAVLC编码流程是串行的，软件容易实现，但执行速度慢且效率低。
　　
　　2 CAVLC编码器硬件结构设计
　　2.1 并行化编码结构
　　为了提高运算速度和效率，将图1的CAVLC编码流程并行化处理，适合FPGA实现。根据文献提出的思路，将CAVLC编码分成扫描和编码2部分，见图2。由zig-zag逆序扫描、统计、编码、码流整合4个模块组成。zig-zag模块和统计模块构成扫描部分，编码模块和码流整合模块构成编码部分，系统采用状态机控制。由于trailing_ones_sign_flag、level和run_before都是从zig-zag扫描后序列的尾部开始编码，所以本设计中zig-zag采用逆序扫描。统计模块用计数器统计zig-zag逆序扫描输出序列的TC、T1和T0，将尾1符号（T1_sign）、除尾1外的非零系数（coeffs）和零的游程（runbefore）存入缓存器并输出。编码模块分成6个子模块：NC生成模块、coeff_token模块、trailing_ones_sign_flag模块、level模块、total_zeros模块以及run_before模块。统计模块给各编码子模块提供输入数据，保证各编码子模块并行工作，减少了CAVLC编码的时钟周期，提高了编码器执行效率。由于CAVLC编码是变长的，使得每个编码子模块的输出码流长度不确定，各编码子模块的码字寄存器宽度不同。为了保证各编码子模块生成的码字能够紧凑无缝链接和有效存储，在各编码子模块的码字输出中嵌入输出标志信号和码长信息，当输出标志信号为高电平时码字与码长有效，低电平时则无效，经码流整合模块整合后输出。
　　
　　2.2 level编码的优化实现
　　非零系数级编码是CAVLC编码中复杂度最高、计算量最大、编码延时最长的部分也是CAVLC编码器高速、高效运行的瓶颈之一。根据H.264中CAVLC的level解码步骤可设计出相应的编码流程，如图3所示。
　　
　　（1）初始化suffixlength为0，如果TC＞10，并且T1＜3，则初始化为1。
　　（2）计算中间变量levelcode［ i］：
　　
　　（5）写码字。
　　非零系数级的码字为“前缀码字+后缀码字”，前缀码字为prefix个0后紧跟一个1（即前缀码字为1，码长为prefix+1），后缀码字值为suffix，码长为levelsuffixsize。
　　依据图3编码流程，level编码所需的时钟周期与TC和T1之差有关，不同的数据块所需的时钟周期不同，而编码前需经过扫描和统计。当非零系数较多时，level编码采用传统的串行方式所需的时钟周期可能比统计模块所耗要多，导致不稳定的吞吐量。另一方面，获得level的码字需知道该系数的prefix、suffix以及levelsuffixsize，而levelsuffixsize的大小是自适应变化的，与上一个已编码系数的绝对值大小有关，这给并行处理带来了一定困难。为此，采用并行处理和两级流水线相结合的结构并行处理2个非零系数，如图4所示。第一级初始化suffixlength，求coeffs的绝对值及中间变量levelcode；第二级更新suffixlength，计算prefix，suffix和levelsuffixlength。模块coeffs SIPO buffer实现串行输入并行输出，输入输出关系如图5所示。
　　
　　3 实验验证分析
　　Level编码电路结构采用Verilog HDL语言描述，在ModelSim SE 6.0上进行仿真，使用Synplicity公司的Synplify Pro完成综合过程。最后采用Xilinx公司VirtexⅡ系列的xc2v250 FPGA进行实现和验证。
　　图6给出了ModelSim的仿真波形，其结果与JVT校验软件模型JM16.2的值一致。从图6可以看出，并行编码TC-T1个level值比串行方式节省（TC-T1）/2个时钟周期，当非零系数较多时，也能获得稳定的吞吐量。表1给出了Synplify Pro综合的硬件资源报告。系统允许的最高时钟频率为158.1 MHz，硬件资源消耗如表1所示。综上所述，本设计满足H.264实时高清视频编码的要求。