摘要：本文设计了一种适用于h.264标准的exp-golomb硬件解码器，通过在电路设计中采用桶形移位器、首一检测器等关键单元，实现了码长的快速检测和码流的连续处理，单个时钟周期内可解一个句法元素，有效减少了硬件资源的损耗。

　　关键词：exp-golomb；视频解码；h.264标准

引言

　　itu-t(国际电信联盟)和mpeg(运动图像专家组)联合推出了新一代视频压缩标准h.264/mpeg-4-10 avc。它在dct变换、熵编码、去块滤波等方面采用了一系列新技术，在相同的重建图像质量下比h.263和mpeg-4节约了50%的码率，在高码率应用中表现更加优越。同时，它具有良好的网络亲和性，对网络传输具有更好的支持。

　　但是，在获得优越性能的同时，h.264编码和解码的计算量和复杂度均有大幅度提升。h.264算法在编码端比h.263复杂3倍以上，在解码端复杂2倍左右。对于较高分辨率的视频源，单纯依靠软件方式实现h.264视频压缩算法，往往不能胜任，尤其难以进行实时解码。因此，采用硬件方式实现h.264视频压缩算法具有重要的意义。

　　本文的研究目标是设计h.264标准中的exp-golomb解码器，在对其算法进行深入探讨的基础上，提出了一种高效且低成本的asic实现方案。

exp-golomb编码原理及解码算法分析

　　在h.264基本规范中，除了残差变换系数采用cavlc编码方式外，其它句法元素均使用exp-golomb编码。exp-golomb编码是一种有规则的变长编码方式，在各类视频编码标准中被广泛应用。exp-golomb编码基于符号的概率统计进行编码，用短码字来表示出现概率高的信息，用长码字来表示出现概率低的信息，码长与被编码数成指数对应关系，从而使总体平均码字最短。与定长编码方式相比，节省了大量存储空间。

　　
　　exp-golomb码字的逻辑结构为:[m zeros][1][info]。其中m个“0”和中间的“1”称为前缀，info是m位的信息值，因此，每个exp-golomb码字的长度都为2m+1。每个索引字codenum经过编码都可以对应一个如上结构的码字，它们之间的关系是:

codenum=2m+info-1 (1)
　　由式1可知，进行exp-golomb解码可先探测出码字前连续“0”的个数，再取出后缀，经该公式计算即可得到codenum值。在h.264中存在四种exp-golomb码：无符号型ue(v)、有符号型se(v)、映射型me(v)和截断型te(v)。因此，对于解出的codenum值，根据句法元素类型的不同有四种映射方式，如表2所示。根据相应描述完成映射后，输出syntax即为解码值。

exp-golomb解码器

硬件结构设计

　　基于以上解码算法设计的exp-golomb解码器硬件结构如图1所示。整个系统主要由以下模块组成：输入码流缓冲移位模块、码长检测模块、codenum生成模块以及句法元素映射模块。系统上电复位后，首先由码流缓冲移位模块提供待解码字，然后由码长检测模块中的首一检测器探测出连续“0”的个数，即时计算得出当前码长送至累加器。同时，首一检测的结果和待解码字一起送至codenum计算模块，经移位、相减得到codenum值。最后将codenum送至四个映射单元处理，最终解码句法元素由选择器输出至寄存器。整个解码流程用一个时钟周期完成。下文将详细叙述各功能子模块的硬件结构。

输入码流缓冲移位模块

　　输入码流缓冲移位模块是实现h.264实时解码的关键模块。由于在每个变长解码流程中，码长不可能事先确定，所以在解出码值的同时必须定位下一个码字。这就要求该模块具有快速响应和并行输出的特点。由于h.264中定义exp-golomb码最大码长不超过32，设计中采用两个32位寄存器，一个32位桶形移位器及一个累加器的组合来实现该功能，如图1左端所示。其中，寄存器r0负责从外部模块读取数据，并和寄存器r1一起作为桶形移位器的输入；在每个解码周期，桶形移位器移出已解码流的同时还要装载新的待解码流；而累加器则计数已处理码长，传送桶形移位器移位长度，判断并控制r0的读取和r1的更新。这样就为后续处理单元提供了连续不间断的码流。

码长检测模块

　　该模块的主要组成部件是一个16位的首一检测器，其功能是检测出输入序列中第一个“1”之前连续“0”的个数。码长(2m+1)的获取只需将首一检测的结果与一个“1”位进行位拼接即可实现，无需额外电路。另外，考虑到响应速度和路径延时，首一检测器的设计采用分组并行探测方式，其硬件结构如图2所示。输入的16位码流分成4组，每组4位均通过一个4输入与门，得到4位输出信号后送至优先编码器1，从而判断出首“1”所在区间。同时与门的四个输出还作为选择器mux的控制信号，片选出存在首“1”的4位数据，并将其送至优先编码器2，判断出首“1”的具体位置。最后将两个编码器的输出进行位拼接即可得到首“1”前连续“0”的个数m。

codenum计算模块和句法元素映射模块

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