1 引言

隨著數(shù)字電視及視頻會議的發(fā)展以及應(yīng)用，H．264由于其更高的壓縮比、更好的圖像質(zhì)量和良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性而備受關(guān)注。

基于上下文的自適應(yīng)二進制算術(shù)編碼(CABAC)則作為H．264編碼器系統(tǒng)的最后一環(huán)，對整個編碼性能影響較大。CABAC充分考慮視頻流的相關(guān)性．能適應(yīng)信號統(tǒng)計特性的變化，容易達到漸進性能，編碼速度較高，但復(fù)雜度大，這造成單純用軟件編碼難以達到很高的性能，特別是對于高清晰度視頻(HDTV)不能實現(xiàn)實時編碼，這就需要硬件加速或設(shè)計專門的硬件編碼電路。

目前，已有相應(yīng)的硬件加速電路設(shè)計問世，但主要是對算術(shù)編碼部分進行設(shè)計，整體性能仍不夠理想。這里在對以往加速電路分析的基礎(chǔ)上，把握CABAC整個編碼原理，主要對其中的二進制化部分進行優(yōu)化，對相應(yīng)的二進制化方法進行歸類優(yōu)化，采用并行運算的方案，最終在FPGA上以較優(yōu)的速度和資源實現(xiàn)硬件編碼。

2 二進制化原理

CABAC實現(xiàn)方案包括3個過程：語法元素的二進制化、上下文建模、自適應(yīng)算術(shù)編碼，圖1是CABAC編碼器基本結(jié)構(gòu)。

二進制化是CABAC編碼的第1步，提高二進制化模塊的編碼速度有助于整個系統(tǒng)速度的提高。在二進制化過程中，一個給定的非二進制語法元素被唯一地映射到一個二進制序列(Bin String)，其中的每一位稱為Bin。

如果輸入為給定的二進制語法元素，則此步就可以越過，隨后的步驟由編碼模式?jīng)Q定。

在H．264標(biāo)準(zhǔn)中。語法元素較多，約有20多種，而二進制轉(zhuǎn)換使這些語法元素的二進制表示接近最小冗余編碼，以減少碼流。

CABAC中二進制轉(zhuǎn)換有4種基本類型：一元(U)編碼、截斷一元(TU)編碼、指數(shù)哥倫布(EGK)編碼和定長(FL)編碼。另外，還可通過這幾種編碼方式的串聯(lián)進行二進制化轉(zhuǎn)換。

2．1 一元(U)二進制轉(zhuǎn)換方案

對于一個無符號語法元素x≥0，CABAC中的一元碼字是由x個“1”串連并在結(jié)尾處加上“0”，因此一元二進制化的長度是x+1，如表1所示，其中Binldx表示字符串的索引。一般來講，U二進制轉(zhuǎn)換主要用于參考幀隊列預(yù)測語法元素的編碼。

2．2 截斷一元(TU)二進制轉(zhuǎn)換方案

截斷一元二進制化對語法元素的值有要求，只對不大于某個界限值(S)的語法元素進行二進制化。若語法元素值小于S，則其二進制化結(jié)果同一元二進制化；若語法元素值等于S，則其結(jié)果為S個“1”。一般，TU二進制轉(zhuǎn)換主要用于幀內(nèi)色度預(yù)測模式的編碼。

2．3 指數(shù)哥倫布(EGK)二進制轉(zhuǎn)換方案

EGK編碼最初由Teuhola在上下文控制長度編碼方案中提出，是由Golomb編碼派生的。EGK編碼由一個前綴和后綴碼字串聯(lián)構(gòu)成，其前綴部分由一元碼字l(x)=[log2(x／2k+1)]的值組成，其后綴部分由x+2k(1-2l(x))計算得出。一般，EGK二進制轉(zhuǎn)換主要用于殘差以外數(shù)據(jù)的編碼，具體情形視編碼器的設(shè)置而定。EGK二進制化隨后取值的不同而不同，k的取值為非負(fù)整數(shù)。

2．4 固定長度(FL)二進制轉(zhuǎn)換方案

固定長度二進制化適用于語法元素值x小于界限值S的情況。方法為直接用x值的二進制表示形式作為其二進制化結(jié)果，長度同定為：lFL=[log2S]的向上取值。一般，F(xiàn)L二進制轉(zhuǎn)換被用于統(tǒng)一分配的語法元素，編碼塊的圖形符號部分關(guān)系到亮度殘差。

2．5 基本二進制轉(zhuǎn)換的串聯(lián)方案

由以上各種二進制方式可以再推導(dǎo)出3種基本的二進制轉(zhuǎn)換方案。第1種是4位FL前綴與TU后綴(S=2)的串聯(lián)，而第2和第3種方案來自TU和EGK二進制轉(zhuǎn)換，稱為UEGK。這些方案被用于運動矢量微分和變換系數(shù)取絕對值。另外語法元素mb_type和sub_mb_type二進制化使用遍歷二叉樹方法，對應(yīng)的二叉樹已在參考文獻中給出。

3 二進制化編碼方案優(yōu)化

H．264標(biāo)準(zhǔn)中的二進制化編碼流程是串行的，適合軟件的實現(xiàn)，但由于待編語法元素較多，導(dǎo)致執(zhí)行速度慢且效率低下。而硬件實現(xiàn)的最大優(yōu)勢在于其并行性，可大大提高執(zhí)行效率。因此，為提高編碼速度，在不改變算法實質(zhì)的前提下，對標(biāo)準(zhǔn)中的編碼流程進行相應(yīng)優(yōu)化，以利于硬件實現(xiàn)。主要提出以下優(yōu)化措施：

(1)將語法元素歸類按照基本的編碼方法及H．264對各語法元素的要求，可將20余種語法元素的二進制編碼方法歸為6類，包括U二進制化、UEGKO二進制化(k=0，uco-eff=14)、UEGK3二進制化(k=3，ucoeff=9)、宏塊／子宏塊類型二進制化、宏塊量化偏移二進制化，定長與截斷串聯(lián)的二進制化。將語法元素歸類，將有效減小編碼過程中的繁雜和無序性，有利于編碼正常完成。

(2)并行化設(shè)計語法元素的二進制化方法可歸為8類，在設(shè)計中，采用控制單元辨別相應(yīng)的語法元素，并送入二進制化模塊進行編碼。但依照H．264標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，二進制化單元的入口地址不僅取決于語法元素的值，還取決于語法元素的種類，這種數(shù)據(jù)依存關(guān)系無疑增加了運算量。且輸出是串行，不利于流水線設(shè)計，這樣就將降低系統(tǒng)的時鐘頻率。故采用一種并行設(shè)計方案，以語法元素值為輸入，結(jié)果得到6個不同的輸出，將它們鎖存后，利用多路選擇器以語法元素種類作為控制端選出所需的值。兩種不同的實現(xiàn)方式見圖2。