基于AVS標(biāo)準(zhǔn)的熵解碼器設(shè)計(jì)

摘 要： 闡述了我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的音視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——AVS標(biāo)準(zhǔn)的熵解碼算法,介紹了基于AVS標(biāo)準(zhǔn)的熵解碼器的設(shè)計(jì)。根據(jù)碼流的特點(diǎn)劃分硬件模塊，采用筒形移位器結(jié)構(gòu)提高解碼并行性,應(yīng)用Verilog硬件描述語(yǔ)言、EDA軟件ModelSim仿真、QuartusII軟件綜合,并通過(guò)了Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片的下載驗(yàn)證，證明該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)AVS碼流的實(shí)時(shí)解碼功能。
關(guān)鍵詞： AVS；熵解碼；可編程邏輯門(mén)陣列；Verilog 硬件描述語(yǔ)言

AVS標(biāo)準(zhǔn)是《信息技術(shù) 先進(jìn)音視頻編碼》系列標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是我國(guó)具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第二代信源編碼標(biāo)準(zhǔn)。AVS標(biāo)準(zhǔn)包括系統(tǒng)、視頻、音頻、數(shù)字版權(quán)管理等四個(gè)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和一致性測(cè)試等支撐標(biāo)準(zhǔn)。
目前音視頻產(chǎn)業(yè)可以選擇的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)有四個(gè)：MPEG-2、MPEG-4、AVC(也稱(chēng)JVT、H.264)和AVS。從制訂者分，前三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是由MPEG專(zhuān)家組完成的，第四個(gè)是我國(guó)自主制定的。從發(fā)展階段分，MPEG-2是第一代信源標(biāo)準(zhǔn)，其余三個(gè)為第二代標(biāo)準(zhǔn)。從主要技術(shù)指標(biāo)——編碼效率比較，MPEG-4是MPEG-2的1.4倍，AVS和AVC相當(dāng)，都是MPEG-2的兩倍以上。
AVC標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)預(yù)測(cè)殘差有兩種熵編碼的方式：基于上下文的自適應(yīng)變長(zhǎng)碼（CAVLC）和基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算數(shù)編碼(CABAC)；對(duì)于非預(yù)測(cè)殘差，采用指數(shù)哥倫布碼或CABAC編碼，視編碼器的設(shè)置而定[1]。
AVS標(biāo)準(zhǔn)所用的熵編碼技術(shù)相比于以前有了很多改進(jìn)，它的語(yǔ)法元素和殘差系數(shù)是由定長(zhǎng)碼和指數(shù)哥倫布碼構(gòu)成的，其中指數(shù)哥倫布碼和語(yǔ)法元素之間存在多種映射關(guān)系。
1 AVS標(biāo)準(zhǔn)熵解碼算法描述
　在整個(gè)AVS視頻的解碼過(guò)程中，熵解碼模塊位于系統(tǒng)的最前端，負(fù)責(zé)從壓縮后的碼流中解析出宏塊頭信息以及量化系數(shù)，供后續(xù)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊和幀間預(yù)測(cè)模塊使用。而熵解碼模塊又可以大體分為兩個(gè)部分：解析K階指數(shù)哥倫布碼部分和解析語(yǔ)法元素部分。
　解析K階指數(shù)哥倫布碼時(shí)，首先從比特流的當(dāng)前位置開(kāi)始尋找第一個(gè)非零比特，并將找到的零比特個(gè)數(shù)記為leadingZeroBits，然后根據(jù)leadingZeroBits計(jì)算CodeNum。用偽代碼描述如下：

　由于AVS視頻中所有的語(yǔ)法元素以及經(jīng)過(guò)變換和量化的殘差系數(shù)都是以指數(shù)哥倫布碼的形式映射成二進(jìn)制碼流的，因此在解析出K階指數(shù)哥倫布碼的CodeNum后，下一步就是要還原出各種語(yǔ)法元素和殘差系數(shù)。
　在AVS標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了四種映射方式：ue(v)、se(v)、me(v)和ce(v)。其中ue(v)、se(v)和me(v)所描述的語(yǔ)法元素采用0階的指數(shù)哥倫布碼，ce(v)用來(lái)描述殘差系數(shù)，可以采用0階、1階、2階或者3階指數(shù)哥倫布碼。它們的解析過(guò)程如下：
　ue(v)：無(wú)符號(hào)直接映射，語(yǔ)法元素的值等于CodeNum；
　se(v)：有符號(hào)映射，映射關(guān)系為：當(dāng)CodeNum=k時(shí)，語(yǔ)法元素值為(-1)k+1×Ceil(k÷2)
　me(v)：分為MbCBP和MbCBP422兩種模式，分別根據(jù)CodeNum的值,查找相對(duì)應(yīng)的表來(lái)得到語(yǔ)法元素的值。
　ce(v)：ce(v)描述的語(yǔ)法元素可以采用0階、1階、2階或3階指數(shù)哥倫布碼進(jìn)行解析，還有19個(gè)相關(guān)的碼表，對(duì)于階數(shù)的確定規(guī)則以及碼表的切換規(guī)則，在AVS標(biāo)準(zhǔn)中都有詳細(xì)的說(shuō)明。解析時(shí),首先語(yǔ)法元素trans_coefficient等于CodeNum,如果trans_coefficient小于59,可以根據(jù)trans_coefficient的值查找相關(guān)的碼表得到殘差系數(shù)；如果trans_coefficient大于等于59，解析下一個(gè)ce(v)語(yǔ)法元素，得到一個(gè)新的CodeNum，escape_level_diff等于CodeNum,然后根據(jù)trans_coefficient和escape_level_diff求得殘差系數(shù)[3]。
2 熵解碼器的硬件設(shè)計(jì)
　由于熵解碼器位于整個(gè)解碼結(jié)構(gòu)的最前端，所有后續(xù)模塊中需要用到的數(shù)據(jù)都是熵解碼模塊從原始碼流中解析出來(lái)的，因此熵解碼器性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)AVS視頻解碼器的性能。
從前面的介紹中可以了解到，經(jīng)過(guò)指數(shù)哥倫布編碼后形成的碼流中，每個(gè)碼的碼長(zhǎng)不固定，而且前后具有很大的相關(guān)性，這樣在解碼時(shí)就必須逐位讀取數(shù)據(jù)，解析完一個(gè)碼字后才能解析下一個(gè)碼字。這種串行解碼的方式嚴(yán)重限制了熵解碼器的性能，所以需要找到一種能夠并行解碼的方式。這里的并行解碼并不是指同時(shí)對(duì)好幾個(gè)碼進(jìn)行解碼，而是針對(duì)一個(gè)變長(zhǎng)碼的多個(gè)位來(lái)說(shuō)的。具體來(lái)說(shuō)就是一次讀入N位數(shù)據(jù)，通過(guò)比較操作，得到碼長(zhǎng)，使得解碼可以在確定的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)進(jìn)行，而不是隨著碼長(zhǎng)的不同而變化。顯然，這將提高硬件的復(fù)雜度，但是換來(lái)了解碼速度的提高[4]。
　整個(gè)熵解碼器可以分為四個(gè)模塊：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊、解指數(shù)哥倫布碼模塊、語(yǔ)法元素解析模塊和解碼控制模塊。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

下面通過(guò)分析碼流數(shù)據(jù)的解析過(guò)程來(lái)逐個(gè)說(shuō)明各個(gè)模塊的功能和實(shí)現(xiàn)。
2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊
這個(gè)模塊的功能是為后邊的解指數(shù)哥倫布碼模塊準(zhǔn)備好未解碼數(shù)據(jù)，要求解指數(shù)哥倫布碼模塊解完一個(gè)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊就要在碼流中將解完的碼移走，并準(zhǔn)備好下一個(gè)要解的碼字送給下一模塊。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

RegA和RegB是兩個(gè)32位的寄存器，其中RegB直接從未解碼碼流中讀取數(shù)據(jù)，RegA則接收RegB中的數(shù)據(jù)，兩個(gè)寄存器共同組成barrelshifter的輸入。
　barrelshifter是一個(gè)64位輸入、32位輸出的暫存器，每次輸出都將剛解完的一個(gè)碼字移出，以保證輸出的32位數(shù)據(jù)中最低位為下一個(gè)要解碼的碼字的開(kāi)始。移位的位數(shù)由輸入的地址Addr來(lái)決定，即輸出64位輸入的[Addr,Addr+31]位。
　當(dāng)En信號(hào)有效時(shí)，更新數(shù)據(jù)，將RegB中的數(shù)據(jù)存到RegA中，再?gòu)拇a流中讀取新的32位數(shù)據(jù)，存到RegB中。其中Addr和En信號(hào)由解指數(shù)哥倫布碼模塊給出。
2.2解指數(shù)哥倫布碼模塊
這個(gè)模塊的功能是接收上一模塊準(zhǔn)備好的未解碼數(shù)據(jù)，計(jì)算出從最低位開(kāi)始的一個(gè)指數(shù)哥倫布碼的CodeNum,并根據(jù)這個(gè)碼的碼長(zhǎng)算出筒形移位器的移位地址。模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于上一個(gè)模塊準(zhǔn)備好的未解碼碼流是一個(gè)以新的指數(shù)哥倫布碼的開(kāi)始為最低位的32位碼流,因此要計(jì)算出這個(gè)碼的CodeNum，首先要算出這個(gè)碼的碼長(zhǎng)，然后在這32位數(shù)據(jù)中截取出這個(gè)碼字，才可以計(jì)算它的CodeNum。根據(jù)指數(shù)哥倫布碼的結(jié)構(gòu)，碼長(zhǎng)與這個(gè)碼的前導(dǎo)零個(gè)數(shù)M和階數(shù)K有密切關(guān)系，可以總結(jié)出一個(gè)公式：CodeL=2×M+K+1。碼長(zhǎng)計(jì)算模塊就是根據(jù)這個(gè)原理來(lái)計(jì)算碼長(zhǎng)的，首先通過(guò)一組比較器檢測(cè)從最低位開(kāi)始有幾個(gè)零，然后根據(jù)上述公式得到碼長(zhǎng)。對(duì)于階數(shù)K，解ue(v)、me(v)和se(v)語(yǔ)法元素時(shí)，階數(shù)K為0。解ce(v)時(shí)，當(dāng)前解碼碼字的階數(shù)在解碼上一個(gè)碼字時(shí)可以得出。
累加器模塊是一個(gè)模為32的加法器，將碼長(zhǎng)計(jì)算模塊計(jì)算出來(lái)的碼長(zhǎng)CodeL累加到上一次的移位地址上，得到一個(gè)新的移位地址，筒形移位器根據(jù)這個(gè)新的地址，將本次解碼的碼字移出，準(zhǔn)備好下一個(gè)未解碼碼流。En為進(jìn)位輸出，當(dāng)累加器的En為1時(shí)，說(shuō)明已經(jīng)解完了32位數(shù)據(jù)，這時(shí)需要對(duì)RegA和RegB進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。
計(jì)算碼字的CodeNum時(shí)，首先根據(jù)碼長(zhǎng)計(jì)算模塊算出來(lái)的碼字長(zhǎng)度，從上一模塊準(zhǔn)備好的未解碼碼流中把本次要解碼的碼字截取出來(lái)，拋棄無(wú)用的位，然后再根據(jù)公式CodeNum=2leadingZeroBits+k-2k+read_bits(leadingZeroBits+k)計(jì)算這個(gè)碼字的CodeNum。顯然這個(gè)公式太過(guò)復(fù)雜，不適合直接硬件化，但是經(jīng)過(guò)分析公式以及指數(shù)哥倫布碼的結(jié)構(gòu)，可以改造一下公式。因?yàn)橹笖?shù)哥倫布碼的結(jié)構(gòu)為前面M個(gè)前導(dǎo)0，中間一個(gè)1，后面M+K位數(shù)據(jù)組成，而read_bits(leadingZeroBits+k)即為后面M+K位數(shù)據(jù)的碼字值，2leadingZeroBits+k正好為中間那個(gè)1的碼字值，所以一個(gè)碼字的CodeNum就等于這個(gè)碼字的碼字值減去2k，這樣對(duì)CodeNum的計(jì)算就大大簡(jiǎn)化了。
2.3 語(yǔ)法元素解析模塊
顧名思義，這個(gè)模塊就是最終解析出語(yǔ)法元素含義的模塊，它接收上一模塊計(jì)算出來(lái)的CodeNum值，然后主要通過(guò)查表的方式解析出這個(gè)碼字所代表的語(yǔ)法元素含義，結(jié)構(gòu)如圖 4所示。

這里主要介紹下最復(fù)雜的ce(v)部分的解析過(guò)程。
逃逸碼判斷模塊：在解析ce(v)語(yǔ)法元素時(shí)，首先要判斷是否為逃逸碼，即CodeNum<59時(shí)，按照正常ce(v)語(yǔ)法元素解析規(guī)則解析；CodeNum≥59時(shí)，下一碼字為逃逸碼，則按照逃逸碼解析規(guī)則解析。
ce(v)語(yǔ)法元素解析模塊：正常ce(v)語(yǔ)法元素的解析過(guò)程為：以CodeNum的值為索引，查找當(dāng)前碼表，得到（run、level），然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的碼表切換規(guī)則進(jìn)行碼表切換，并得到下一碼字的階數(shù)K。解析逃逸碼的解析過(guò)程為:令transcoefficient等于CodeNum,得到run=(transcoefficient-59)/2。以當(dāng)前碼表為索引，查表得到對(duì)應(yīng)的MaxRun，如果run>MaxRun，則RefAbslevel=1，否則以run為索引查當(dāng)前碼表，得到RefAbslevel。解析下一個(gè)語(yǔ)法元素，得到一個(gè)新的Codenum，escape_level_diff等于CodeNum。如果transcoefficient為奇數(shù)，則level等于-(RefAbslevel+escape_level_diff);如果transcoefficient為偶數(shù)，則level等于(RefAbslevel+escape_level_diff)。最后再按照標(biāo)準(zhǔn)中的碼表切換規(guī)則進(jìn)行碼表切換，等待解析下一個(gè)語(yǔ)法元素。
3 測(cè)試與驗(yàn)證
　將本文提出的熵解碼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)，用ModelSim在綜合前進(jìn)行仿真，仿真模型如圖5所示。AVS標(biāo)準(zhǔn)參考軟件產(chǎn)生測(cè)試碼流數(shù)據(jù)，將測(cè)試碼流數(shù)據(jù)輸入硬件描述語(yǔ)言仿真模型，然后將輸出數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)輸出對(duì)比，實(shí)現(xiàn)仿真功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，硬件熵解碼后的數(shù)據(jù)與軟件熵解碼后的數(shù)據(jù)完全一致。

整個(gè)電路使用Altera的QuartusII 9.0軟件進(jìn)行綜合，使用的LE總數(shù)為1 906個(gè)。變字長(zhǎng)解碼器模塊是AVS解碼器的一部分，綜合后與其他部分集成,通過(guò)了FPGA驗(yàn)證，采用CycloneII系列的EP2C35型FPGA,其最高頻率能達(dá)到94 MHz,可以實(shí)現(xiàn)AVS高清晰度視頻的實(shí)時(shí)解碼。圖6為ce(v)解碼模塊的功能仿真結(jié)果圖。

本文提出了一種基于AVS標(biāo)準(zhǔn)的熵解碼器的硬件結(jié)構(gòu),從總體設(shè)計(jì)到各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都使用了流水線(xiàn)、并行處理、可重用設(shè)計(jì)等硬件設(shè)計(jì)的思想和方法；采用Verilog硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),并通過(guò)FPGA進(jìn)行了驗(yàn)證，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)清晰度實(shí)時(shí)解碼的要求。
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