H.264/AVC中CAVLC编码器的硬件设计实现

　　H.264/AVC是ITU-T和ISO联合发布的国际视频压缩标准[1]，比特压缩率分别是MPEG-4、H.263及MPEG-2的39%、49%及64%[2]，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[3]，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[4]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[5]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[4]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。