基于FPGA的CAVLC解碼器設計

馬雨然，任超偉，張文明

（中國科學院光電技術研究所四川成都610209）

H.264視頻編解碼標準是由ITU-T視頻編碼專家組和ISO/IEC運動圖像專家組（MPEG）共同提出的數字視頻壓縮標準[1]。H.264的熵編碼部分采取了3種編碼方式，不同的方式對應不同的解碼方法。在基本檔次中，殘差數據的編碼采用基于上下文的自適應變長CAVLC編碼，而圖像參數集，序列參數集等碼流控制信息采用指數哥倫布（Exp-Golomb）編碼。主要檔次采用基于上下文的自適應二進制CABAC編碼。擴展檔次只支持CAVLC而不支持CABAC，并且包含了基本檔次的所有功能。

H.264標準具有優異的解壓縮性能和良好的網絡親和性，但這都是以較高的算法復雜度作為代價換取的。為了解決在CAVLC查表耗時較長的問題，國內外學者對CAVLC解碼算法和結構進行了大量研究。黃明政等采用計算方法代替查表方法減少條件判斷，實現零內存存取，以此提高解碼速[2]。賈俊玲利用碼字頭部對碼表分組，在熵解碼質量沒有下降的情況下，解碼速度提高了4倍[3]。李桃中等人提出了偽并行結構的幅值解碼，半個時鐘周期解碼一個幅值，實現了1080P高清視頻實時解碼[4]。Lo C C等人也提出了最大匹配查找表方法[5]。韓一石等人對碼字前綴進行一級索引，對碼字后綴進行二級索引，顯著提高了解碼時間和存儲空間[6]。這些方法都旨在改變CAVLC解碼器的吞吐量，調高解碼速度。

文中介紹了H.264標準解碼的原理和過程，在此基礎上介紹了CAVLC的解碼過程并分析了該過程各個部分的復雜度。最后提出了分組與計算結合的算法，提高解碼速度。

1 CAVLC解碼器

1.1 H.264解碼器結構

H.264標準并沒有明確規定解碼器如何實現，只是規定了視頻比特流的句法以及解碼方法。解碼器分為兩個模塊：碼流解析和圖像重構。其中熵解碼、反變換、反量化是屬于碼流解析部分。解碼過程如圖1所示。

圖1 H.264解碼器結構

開始解碼時，由編碼器的NAL輸出一個壓縮后的H.264壓縮比特流，經熵解碼得到量化后的一組變換系數X，再經反量化、反變換，得到殘差利用從該比特流中解碼出的頭信息，解碼器就產生一個預測塊P，它和編碼器中的原始P是相同的。當該解碼器產生的P與殘差相加后，就產生再經濾波后，最后就得到濾波后的這個就是最后的解碼輸出圖像。其中熵編碼部分采用可選的CAVLC和CABAC，下面將對CAVLC進行分析。

1.2 CAVLC解碼器結構

圖像中相鄰的殘差塊相關性比較大[7]，CAVLC將碼表設計成與圖像殘差塊的非零系數和拖尾系數相關，并且本殘差塊的系數要由相鄰殘差塊的非零系數個數解出，這體現的CAVLC基于上下文的思想。

CAVLC主要用于亮度和色度的殘差塊編解碼。經過編碼器的預測、變換和量化后，碼流中的殘差塊數據具有以下特點[8]：

1）非零系數主要集中在低頻部分，而高頻部分主要是0。

2）量化后的數據經過Zig-zig掃描后，在直流DC附近的系數幅值都比較大，而在高頻的非零幅值大部分都是+1和-1。

3）相鄰的殘差塊的非零系數的個數是相關的。

CAVLC編解碼充分利用了這些碼流特性，減少數據中的冗余信息，提高H.264標準的壓縮比。

CAVLC解碼主要包括非零系數個數TotalCoeffs模塊、拖尾系數符號TrailingOnes模塊、非零系數幅值Levels模塊、總零個數TotalZreos模塊和游歷零個數RunBefores模塊。對于TrailingOnes模塊，其本質也是對于非零系數幅值的解析，本文將其與Levels歸并為同一模塊。這些模塊之間通過一個狀態機控制進行協調解碼。每一個模塊解析完成之后，都要計算出所消耗的碼流長度，通過指針偏移調整碼流的輸入。CAVLC解碼結構如圖2所示。

圖2 CAVLC解碼器結構

通過對CAVLC的運算復雜度分析，查表部分占23%，RunBrfores占24%，非零系數幅值的計算占53%[9]。在CAVLC的4個子解碼器中，TotalCoeffs和TotalZeros是基于查表的。Runbefores一部分是用通過查表解析每個非零系數前0的個數，另一部分是完成Levels和Runbefores的合并，最終形成殘差系數。而Levels通過不斷循環計算每個幅值的前綴和后綴，耗時較多。

1.3 CAVLC狀態控制

雖然在H.264標準中明確說明了解碼的流程，但是對于不同的設計方法會根據自身設計的特點定制不同的狀態機。如果嚴格按照H.264的解碼流程設計狀態圖，則狀態較多且狀態跳轉繁瑣[10]。本文在采用了一種改進的狀態機，簡化后如圖3所示。

圖3 CAVLC狀態轉換圖

首先解析非零系數個數TotalCoeffs，如果TotalCoeffs=0，則整個殘差數據塊全部為0，直接回到初始狀態。若TrailngOnes=0，不需要解析拖尾系數的符號，直接開始解析Levels；若TotalCoeffs=TrailingOnes，表示除了拖尾系數之外沒有其他的非零系數，則進行TotalZeros解析。不斷循環解析幅值的前綴和后綴，直到所有幅值解析完畢。解析完幅值之后，當TotalCoeffs=maxNumCoeff，表示沒有0存在，直接輸出殘差系數。

表1 碼表規律

對于不同的后綴，可以才采用不同的計算方法，例如當碼字前的0個數為5時，規律如表2所示。

2 混合分組和計算的查表

CAVLC關于TotalCoeffs和TrailingOnes的碼表共有5個，其中定長碼表1個，變長碼表4個。關于Level_prefix的碼表1個，關于TotalZeros的碼表15個，關于RunBefores的碼表7個。整個CAVLC解碼的過程，本質就是查表的過程。對于碼流的查表，已經提出的有全碼表法，二叉樹法，分組碼表法等[11-13]。本文采用計算方法解析定長碼表，分組方法解析變長碼表，在分過組的變長碼表中部分采用計算方法。

文獻[14]將碼字分解為碼字頭和信息碼，根據碼字頭進行分組，從而提高了解碼速度。但是這沒有考慮到CAVLC碼字的特性。CAVLC根據大量視頻統計，出現概率高的碼字長度短，出現概率低的碼字長度較長。基于以上特點，本文根據碼字前0的個數進行分組來提高解碼速度。

分組查表過程受限于對碼字的判斷和比較，而計算方法可以不通過比較而直接進行解析，提高解碼的速度。不同碼表分組情況不同，在分組后盡量使用計算方法代替查找方法。以變長碼表0＜=nC＜2為例，分組情況如表1所示[11]。

表2 前綴0個數為5時碼表規律

不難發現，這種方法將變長編碼分組后，轉化為了定長編碼。除了后綴rbsp_data[6：7]為00時，TotalCoeffs和TrailingOnes滿足如下關系：

nC＞=8時為定長表格，計算方法與上述碼字前個數為5的方法類似。當碼流rbsp_data[0：5]!=000011時，TotalCoeffs和TailingOnes滿足如下關系：

在解碼時，只需要判斷檢測碼流是否為000011。若不是000011，直接根據碼流計算出非零系數個數TotalCoeffs和拖尾系數個數TrailingOnes的值，而無需二次查表，減少查找和判斷的次數。

這種方法縮短了CAVLC解碼過程中對輸入碼流作判斷的次數、減少了表的遍歷深度和訪問次數，是一種具有可行性的優化方案。綜上所述，可概括此CAVLC解碼算法的步驟如下：

step1：根據nC的取值確定所需要的碼表。

step2：讀取碼流，檢測碼流前綴0的個數。

step3：根據前綴0的個數確定碼表分組，再根據后綴計算所需要的解碼參數。

3 實驗結果

對上述的CAVLC解碼器用verilog HDL硬件語言編寫了程序代碼，采用Xilinx的ISim的仿真功能對代碼進行了功能仿真和時序仿真。綜合時選定的FPGA器件為Zynq XC7Z045。

測試序列通過264文件轉化為文本文件，作為ISim的Testbench的輸入序列。當000101000000 00000000101011（nC=0），1（nC=1），000100111100（（nC=1）），1（nC=1），1（nC=0）作為輸入序列時，仿真結果如圖4所示。通過與264文件產生的殘差系數對比，可知本文的CAVLC解碼器功能正確。

時序仿真過后，結果顯示CAVLC解碼器的關鍵路徑延時為11.870 ns，采用83.3 MHz時鐘，選取三組視頻序列對本文所述的解碼器進行測試，統計每個宏塊所消耗的時間周期。實驗結果如表3所示。

圖4 CAVLC解碼器仿真圖

表3 解碼器測試

從統計結果可以看出，Akiyo每個宏塊平均消耗的時鐘周期最多，為157.1。為了保證余量，假設每個宏塊消耗的時鐘周期為200個。根據吞吐率公式[15]（1）計算得到本文所述的設計吞吐率為416 500 MB/s。

FCLK表示時鐘頻率，NMB表示解碼一個宏塊消耗的平均時鐘周期，表4列出了幀率為30的不同清晰度視頻的吞吐率和本設計的吞吐率對比。

對比結果顯示，本設計的吞吐率要高于1080P視頻所要求的吞吐率，滿足1080P@30fs的視頻解碼。如需解碼幀率為60的視頻碼流，相應的吞吐率會變成幀率為30的2倍，本設計可以滿足720P@60fs的解碼要求。

表4 吞吐率對比

4 結論

文中從CAVLC解碼原理出發，分析了各個解碼模塊的復雜度。為了提高CAVLC解碼器的解碼速度，本文提出了CAVLC解碼碼表進行分組查表，查表之后通過計算得到殘差系數的方法，提高了CAVLC解碼系統的吞吐率。實驗結果表明，本文設計可以正確的完成解碼，并滿足幀率為30的1080P視頻解碼要求。

[1]International Telecommunication Union.Advanced Video Coding for Generic Audio Visual Services[EB/OL].（2011-11-01）.http：//citeseerx.ist.psu.edu/showciting?cid=323674.

[2]黃明政，韓一石.一種可實現零內存存取的CAVLC 解碼算法[J].計算機工程，2014（3）：60.

[3]賈俊玲，劉彥輝.碼字前綴分組的CAVLC解碼優化[J].中國新技術新產品，2010（4）：2-3.

[4]李桃中，王進祥，蘇陽平，等.H.264中CAVLC解碼器的設計與優化[J].微電子學，2015（3）：372-375.

[5]Lo C C，Hsu C W，Shieh M D.Low-complexity multi-standard variable length coding decoder using tree-based partition and classification[J].IET Image Processing，2013，7（3）：185-190.

[6]韓一石，王建華，黃明政，等.基于索引查詢的CAVLC解碼算法優化[J].計算機工程與應用，2012，48（13）：167-170.

[7]何騰波，盛利元，蔣文明.H.264/AVC中CAVLC編碼器的硬件設計與實現[J].電子技術應用，2010（7）：66-68.

[8]何騰波.H.264/AVC中CAVLC編碼器的硬件設計與FPGA實現[D].長沙：中南大學，2010.

[9]Tsai T H，Fang T L，Pan Y N.A novel design of CAVLC decoderwith low powerand high throughput considerations[J].Circuits and Systems for Video Technology，IEEE Transactions on，2011，21（3）：311-319.

[10]Xu K，Liu T M，Guo J I，et al.Methods for power/throughput/area optimization ofH.264/AVC decoding[J].Journal of Signal Processing Systems，2010，60（1）：131-145.

[11]付永慶，姜靈靈.H.264硬件解碼核的FPGA實現[J].電視技術，2012，36（19）：59-63.

[12]李芬，包曉敏.基于CAVLC解碼算法優化的研究[J].浙江理工大學學報，2013，30（4）：550-553.

[13]黃明政，王建華，韓一石，等.一種基于CAVLC解碼的快速碼表查找算法[J].計算機工程，2013，39（2）：23-26.

[14]Ghorbani S，Zargari F.A unified architecture for implementation of the entire transforms in the H.264/AVC encoder[J].InternationalJournalof Multimedia and Ubiquitous Engineering，2013，8（1）：41-54.

[15]李桃中.高清H.264熵解碼器設計與實[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.