摘 要： 闡述了我國擁有自主知識產(chǎn)權的音視頻編碼技術標準——AVS標準的熵解碼算法,介紹了基于AVS標準的熵解碼器的設計,。根據(jù)碼流的特點劃分硬件模塊,，采用筒形移位器結構提高解碼并行性,應用Verilog硬件描述語言、EDA軟件ModelSim仿真,、QuartusII軟件綜合,并通過了Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片的下載驗證,，證明該設計能夠實現(xiàn)AVS碼流的實時解碼功能。
關鍵詞： AVS,；熵解碼,；可編程邏輯門陣列；Verilog 硬件描述語言
AVS標準是《信息技術 先進音視頻編碼》系列標準的簡稱,，是我國具備自主知識產(chǎn)權的第二代信源編碼標準,。AVS標準包括系統(tǒng)、視頻,、音頻,、數(shù)字版權管理等四個主要技術標準和一致性測試等支撐標準,。
目前音視頻產(chǎn)業(yè)可以選擇的信源編碼標準有四個：MPEG-2、MPEG-4,、AVC(也稱JVT,、H.264)和AVS。從制訂者分,，前三個標準是由MPEG專家組完成的,，第四個是我國自主制定的。從發(fā)展階段分,，MPEG-2是第一代信源標準,，其余三個為第二代標準。從主要技術指標——編碼效率比較,，MPEG-4是MPEG-2的1.4倍,，AVS和AVC相當，都是MPEG-2的兩倍以上,。
AVC標準中,，對預測殘差有兩種熵編碼的方式：基于上下文的自適應變長碼（CAVLC）和基于上下文的自適應二進制算數(shù)編碼(CABAC)；對于非預測殘差,，采用指數(shù)哥倫布碼或CABAC編碼,，視編碼器的設置而定[1]。
AVS標準所用的熵編碼技術相比于以前有了很多改進,，它的語法元素和殘差系數(shù)是由定長碼和指數(shù)哥倫布碼構成的,，其中指數(shù)哥倫布碼和語法元素之間存在多種映射關系。
1 AVS標準熵解碼算法描述
在整個AVS視頻的解碼過程中,，熵解碼模塊位于系統(tǒng)的最前端,，負責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)的幀內預測模塊和幀間預測模塊使用,。而熵解碼模塊又可以大體分為兩個部分：解析K階指數(shù)哥倫布碼部分和解析語法元素部分,。
解析K階指數(shù)哥倫布碼時，首先從比特流的當前位置開始尋找第一個非零比特,，并將找到的零比特個數(shù)記為leadingZeroBits,，然后根據(jù)leadingZeroBits計算CodeNum。用偽代碼描述如下：
由于AVS視頻中所有的語法元素以及經(jīng)過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法元素和殘差系數(shù)。
在AVS標準中規(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)所描述的語法元素采用0階的指數(shù)哥倫布碼,，ce(v)用來描述殘差系數(shù)，可以采用0階,、1階,、2階或者3階指數(shù)哥倫布碼。它們的解析過程如下：
ue(v)：無符號直接映射,，語法元素的值等于CodeNum,；
se(v)：有符號映射，映射關系為：當CodeNum=k時,，語法元素值為(-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,查找相對應的表來得到語法元素的值。
ce(v)：ce(v)描述的語法元素可以采用0階,、1階,、2階或3階指數(shù)哥倫布碼進行解析，還有19個相關的碼表,，對于階數(shù)的確定規(guī)則以及碼表的切換規(guī)則,，在AVS標準中都有詳細的說明。解析時,首先語法元素trans_coefficient等于CodeNum,如果trans_coefficient小于59,可以根據(jù)trans_coefficient的值查找相關的碼表得到殘差系數(shù),；如果trans_coefficient大于等于59,，解析下一個ce(v)語法元素，得到一個新的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 熵解碼器的硬件設計
由于熵解碼器位于整個解碼結構的最前端，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的,，因此熵解碼器性能的優(yōu)劣直接影響到整個AVS視頻解碼器的性能,。
從前面的介紹中可以了解到，經(jīng)過指數(shù)哥倫布編碼后形成的碼流中,，每個碼的碼長不固定,，而且前后具有很大的相關性，這樣在解碼時就必須逐位讀取數(shù)據(jù),，解析完一個碼字后才能解析下一個碼字,。這種串行解碼的方式嚴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對好幾個碼進行解碼,，而是針對一個變長碼的多個位來說的。具體來說就是一次讀入N位數(shù)據(jù),，通過比較操作,，得到碼長，使得解碼可以在確定的時間長度內進行，而不是隨著碼長的不同而變化,。顯然,，這將提高硬件的復雜度，但是換來了解碼速度的提高[4],。
整個熵解碼器可以分為四個模塊：數(shù)據(jù)準備模塊,、解指數(shù)哥倫布碼模塊、語法元素解析模塊和解碼控制模塊,。硬件結構如圖1所示,。
下面通過分析碼流數(shù)據(jù)的解析過程來逐個說明各個模塊的功能和實現(xiàn)。
2.1 數(shù)據(jù)準備模塊
這個模塊的功能是為后邊的解指數(shù)哥倫布碼模塊準備好未解碼數(shù)據(jù),，要求解指數(shù)哥倫布碼模塊解完一個碼,，數(shù)據(jù)準備模塊就要在碼流中將解完的碼移走，并準備好下一個要解的碼字送給下一模塊,。硬件結構如圖2所示,。
RegA和RegB是兩個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),，兩個寄存器共同組成barrelshifter的輸入。
barrelshifter是一個64位輸入,、32位輸出的暫存器,，每次輸出都將剛解完的一個碼字移出，以保證輸出的32位數(shù)據(jù)中最低位為下一個要解碼的碼字的開始,。移位的位數(shù)由輸入的地址Addr來決定,，即輸出64位輸入的[Addr,Addr+31]位。
當En信號有效時,，更新數(shù)據(jù),，將RegB中的數(shù)據(jù)存到RegA中，再從碼流中讀取新的32位數(shù)據(jù),，存到RegB中,。其中Addr和En信號由解指數(shù)哥倫布碼模塊給出。
2.2解指數(shù)哥倫布碼模塊
這個模塊的功能是接收上一模塊準備好的未解碼數(shù)據(jù),，計算出從最低位開始的一個指數(shù)哥倫布碼的CodeNum,并根據(jù)這個碼的碼長算出筒形移位器的移位地址,。模塊結構如圖3所示。
由于上一個模塊準備好的未解碼碼流是一個以新的指數(shù)哥倫布碼的開始為最低位的32位碼流,因此要計算出這個碼的CodeNum,，首先要算出這個碼的碼長,，然后在這32位數(shù)據(jù)中截取出這個碼字，才可以計算它的CodeNum,。根據(jù)指數(shù)哥倫布碼的結構,，碼長與這個碼的前導零個數(shù)M和階數(shù)K有密切關系,，可以總結出一個公式：CodeL=2×M+K+1。碼長計算模塊就是根據(jù)這個原理來計算碼長的,，首先通過一組比較器檢測從最低位開始有幾個零,，然后根據(jù)上述公式得到碼長。對于階數(shù)K,，解ue(v),、me(v)和se(v)語法元素時，階數(shù)K為0,。解ce(v)時,，當前解碼碼字的階數(shù)在解碼上一個碼字時可以得出,。
累加器模塊是一個模為32的加法器,，將碼長計算模塊計算出來的碼長CodeL累加到上一次的移位地址上，得到一個新的移位地址,，筒形移位器根據(jù)這個新的地址,，將本次解碼的碼字移出，準備好下一個未解碼碼流,。En為進位輸出,，當累加器的En為1時，說明已經(jīng)解完了32位數(shù)據(jù),，這時需要對RegA和RegB進行數(shù)據(jù)更新,。
計算碼字的CodeNum時，首先根據(jù)碼長計算模塊算出來的碼字長度,，從上一模塊準備好的未解碼碼流中把本次要解碼的碼字截取出來,，拋棄無用的位，然后再根據(jù)公式CodeNum=2leadingZeroBits+k-2k+read_bits(leadingZeroBits+k)計算這個碼字的CodeNum,。顯然這個公式太過復雜,，不適合直接硬件化，但是經(jīng)過分析公式以及指數(shù)哥倫布碼的結構,，可以改造一下公式,。因為指數(shù)哥倫布碼的結構為前面M個前導0，中間一個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1的碼字值,，所以一個碼字的CodeNum就等于這個碼字的碼字值減去2k,，這樣對CodeNum的計算就大大簡化了。
2.3 語法元素解析模塊
顧名思義,，這個模塊就是最終解析出語法元素含義的模塊,，它接收上一模塊計算出來的CodeNum值,，然后主要通過查表的方式解析出這個碼字所代表的語法元素含義，結構如圖 4所示,。
這里主要介紹下最復雜的ce(v)部分的解析過程,。
逃逸碼判斷模塊：在解析ce(v)語法元素時，首先要判斷是否為逃逸碼,，即CodeNum<59時,，按照正常ce(v)語法元素解析規(guī)則解析；CodeNum≥59時,，下一碼字為逃逸碼,，則按照逃逸碼解析規(guī)則解析。
ce(v)語法元素解析模塊：正常ce(v)語法元素的解析過程為：以CodeNum的值為索引,，查找當前碼表,，得到（run、level）,，然后根據(jù)標準中的碼表切換規(guī)則進行碼表切換,，并得到下一碼字的階數(shù)K。解析逃逸碼的解析過程為:令transcoefficient等于CodeNum,得到run=(transcoefficient-59)/2,。以當前碼表為索引,，查表得到對應的MaxRun，如果run>MaxRun,，則RefAbslevel=1,，否則以run為索引查當前碼表，得到RefAbslevel,。解析下一個語法元素,，得到一個新的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),。最后再按照標準中的碼表切換規(guī)則進行碼表切換,，等待解析下一個語法元素。
3 測試與驗證
將本文提出的熵解碼器結構設計用Verilog HDL實現(xiàn),，用ModelSim在綜合前進行仿真,，仿真模型如圖5所示。AVS標準參考軟件產(chǎn)生測試碼流數(shù)據(jù),，將測試碼流數(shù)據(jù)輸入硬件描述語言仿真模型,，然后將輸出數(shù)據(jù)與標準輸出對比，實現(xiàn)仿真功能,。經(jīng)過測試,，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,。
整個電路使用Altera的QuartusII 9.0軟件進行綜合，使用的LE總數(shù)為1 906個,。變字長解碼器模塊是AVS解碼器的一部分,，綜合后與其他部分集成,通過了FPGA驗證，采用CycloneII系列的EP2C35型FPGA,其最高頻率能達到94 MHz,可以實現(xiàn)AVS高清晰度視頻的實時解碼,。圖6為ce(v)解碼模塊的功能仿真結果圖,。
本文提出了一種基于AVS標準的熵解碼器的硬件結構,從總體設計到各個模塊的設計都使用了流水線、并行處理,、可重用設計等硬件設計的思想和方法,；采用Verilog硬件描述語言實現(xiàn),并通過FPGA進行了驗證，達到了標準清晰度實時解碼的要求,。
參考文獻
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[2] AVS聯(lián)合工作組.信息技術：先進音視頻編碼第2部分：視頻. 2006.
[3] 徐龍,鄧磊．AVS熵解碼器的VLSI設計[J].計算機研究與發(fā)展，2009.
[4] 張楚.AVS和H.264雙標準可變長解碼器設計[D].西安: 西北工業(yè)大學,，2007.