1 导言
跟着数字电视及视频会议的开展以及运用，H．264由于其更高的压缩比、更好的图画质量和杰出的网络习惯性而备受重视。
根据上下文的自习惯二进制算术编码(CABAC)则作为H．264编码器体系的终究一环，对整个编码功能影响较大。CABAC充分考虑视频流的相关性．能习惯信号核算特性的改动，简单到达渐进功能，编码速度较高，但复杂度大，这形成单纯用软件编码难以到达很高的功能，特别是关于高清晰度视频(HDTV)不能完结实时编码，这就需求硬件加快或规划专门的硬件编码电路。
现在，已有相应的硬件加快电路规划面世，但首要是对算术编码部分进行规划，全体功能仍不行抱负。这儿在对以往加快电路剖析的基础上，掌握CABAC整个编码原理，首要对其间的二进制化部分进行优化，对相应的二进制化办法进行归类优化，选用并行运算的计划，终究在FPGA上以较优的速度和资源完结硬件编码。
2 二进制化原理
CABAC完结计划包含3个进程：语法元素的二进制化、上下文建模、自习惯算术编码，图1是CABAC编码器根本结构。
二进制化是CABAC编码的第1步，进步二进制化模块的编码速度有助于整个体系速度的进步。在二进制化进程中，一个给定的非二进制语法元素被仅有地映射到一个二进制序列(Bin String)，其间的每一位称为Bin。
假如输入为给定的二进制语法元素，则此步就可以跳过，随后的过程由编码办法决议。
在H．264规范中。语法元素较多，约有20多种，而二进制转化使这些语法元素的二进制表明挨近最小冗余编码，以削减码流。
CABAC中二进制转化有4种根本类型：一元(U)编码、切断一元(TU)编码、指数哥伦布(EGK)编码和定长(FL)编码。别的，还可经过这几种编码办法的串联进行二进制化转化。
2．1 一元(U)二进制转化计划
关于一个无符号语法元素x≥0，CABAC中的一元码字是由x个“1”串连并在结尾处加上“0”，因而一元二进制化的长度是x+1，如表1所示，其间Binldx表明字符串的索引。一般来讲，U二进制转化首要用于参阅帧行列猜测语法元素的编码。
2．2 切断一元(TU)二进制转化计划
切断一元二进制化对语法元素的值有要求，只对不大于某个界限值(S)的语法元素进行二进制化。若语法元素值小于S，则其二进制化成果同一元二进制化；若语法元素值等于S，则其成果为S个“1”。一般，TU二进制转化首要用于帧内色度猜测办法的编码。
2．3 指数哥伦布(EGK)二进制转化计划
EGK编码开始由Teuhola在上下文操控长度编码计划中提出，是由Golomb编码派生的。EGK编码由一个前缀和后缀码字串联构成，其前缀部分由一元码字l(x)=[log2(x／2k+1)]的值组成，其后缀部分由x+2k(1-2l(x))核算得出。一般，EGK二进制转化首要用于残差以外数据的编码，详细景象视编码器的设置而定。EGK二进制化随后取值的不同而不同，k的取值为非负整数。
2．4 固定长度(FL)二进制转化计划
固定长度二进制化适用于语法元素值x小于界限值S的状况。办法为直接用x值的二进制表明办法作为其二进制化成果，长度同定为：lFL=[log2S]的向上取值。一般，FL二进制转化被用于统一分配的语法元素，编码块的图形符号部分关系到亮度残差。
2．5 根本二进制转化的串联计划
由以上各种二进制办法可以再推导出3种根本的二进制转化计划。第1种是4位FL前缀与TU后缀(S=2)的串联，而第2和第3种计划来自TU和EGK二进制转化，称为UEGK。这些计划被用于运动矢量微分和改换系数取绝对值。别的语法元素mb_type和sub_mb_type二进制化运用遍历二叉树办法，对应的二叉树已在参阅文献中给出。
3 二进制化编码计划优化
H．264规范中的二进制化编码流程是串行的，合适软件的完结，但由于待编语法元素较多，导致履行速度慢且功率低下。而硬件完结的最大优势在于其并行性，可大大进步履行功率。因而，为进步编码速度，在不改动算法本质的前提下，对规范中的编码流程进行相应优化，以利于硬件完结。首要提出以下优化办法：
(1)将语法元素归类依照根本的编码办法及H．264对各语法元素的要求，可将20余种语法元素的二进制编码办法归为6类，包含U二进制化、UEGKO二进制化(k=0，uco-eff=14)、UEGK3二进制化(k=3，ucoeff=9)、宏块／子宏块类型二进制化、宏块量化偏移二进制化，定长与切断串联的二进制化。将语法元素归类，将有用减小编码进程中的冗杂和无序性，有利于编码正常完结。
(2)并行化规划语法元素的二进制化办法可归为8类，在规划中，选用操控单元区分相应的语法元素，并送入二进制化模块进行编码。但依照H．264规范规划，二进制化单元的进口地址不只取决于语法元素的值，还取决于语法元素的品种，这种数据依存关系无疑增加了运算量。且输出是串行，不利于流水线规划，这样就将下降体系的时钟频率。故选用一种并行规划计划，以语法元素值为输入，成果得到6个不同的输出，将它们锁存后，运用多路挑选器以语法元素品种作为操控端选出所需的值。两种不同的完结办法见图2。
4 二进制化编码的FPGA完结
改善后的二进制化编码首要包含：操控单元、二进制化编码单元及挑选输出单元，如图3所示。
电路首要分为5级流水线完结。在第1级流水线中，语法元素(SE)、时钟信号(clk)、上下文模型参量(a、b)等输入数据进入操控单元。操控单元选用比较器完结，经过比较给定数值与输入数值的规模确认语法元素的品种，经过品种信号(selector)输出挑选所采纳的二进制化办法。
第2级流水线包含6个模块，别离代表6种二进制化办法。其间U编码、mb_type／sub_mb_type语法元素编码模块较易完结。由于输入语法元素的位宽为6位，数据量不大，别离依照其编码办法制成码表，且此码表所耗资源不多，在硬件完结时以RAM的办法完结，速度较快。关于UEGK0和UEGK3 编码模块的完结，则需选用U编码和EGK编码相结合的硬件办法完结，详细根本结构如图4所示。
图4中，首先由预处理器判别现在比特所进行的编码，在EGK编码中，首要选用首一检测及桶形移位技能完结，终究将两种编码相加输出。
关于UEGK0和UEGK3编码模块，只需选取不同阈值可完结。关于语法元素mb_qp_delta，选用有正负符号的EGK编码，正负号由语法元素值的奇偶性决议。关于语法元素coded_block_patterm，则选用FL与TU相结合的编码办法，因FL与TU编码的数据量均不大，故选用查表办法完结，这样可进步速度，其间FL编码的界限值为15，TU编码的界限值为2。
第3级流水线的首要功能是挑选。第2级输出包含已编元素(binary_value)和上下文模型参量(ctxOffset0、ctxOff-set)，在第3级中，经过挑选信号(selector)对不同输出作以挑选。第4级流水线为32位先进先出(FIFO)存储器。对成果进行缓存，有利于下一级处理。
第5级为串行化器，首要对二进制化的数据进行处理，使其按位输出，并将二进制化后的每一位参加其对应的上下文模型，以便后续处理。整个体系的输出即为二进制化后的每位数据(sda)及其偏移(ctxIdxl)。
5 电路仿真及功能剖析
该算法经VC++仿真验证，可对H．264规范中的首要层次视频码流进行编码，其成果与H．264规范程序JM8．6相同。电路结构选用Verilog言语进行RTL级描绘，并用mod-elsim6．0软件仿真，后仿真波形如图5所示。
由图5可看出，每个周期中，在使能信号有用的状况下，在时钟的上升沿，可发生1 bit数据sda及相应的偏移量ctx-Idx1，满意规划时序要求。电路在Spartan3 FPGA上归纳、布局布线，运用Synplify丁具进行归纳，最高时钟频率为100 MHz，影响时钟频率的要害途径为先进先出存储器模块。将归纳好的edif电路网表文件输入到后端FPGA厂商Xilinx的Foundation软件进行布局布线，生成二进制流文件，逻辑单元为171，占总资源的4％。运用规划的电路对H．264规范中一些规范视频序列进行测验，序列质量为QP=28，并与H．264规范程序JM8．6中二进制化部分的编码时刻比较，成果如表2所示。
综上，本文对H．264编码器二进制化部分的优化使其在速度上较软件完结有较大提高，资源占用率也较少。二进制化部分的硬件规划不只能完结H．264规范中根本层次的编码，还有望运用于更大尺度更高质量的实时视频压缩编码。
6 定论
在对H．264规范中二进制化部分研讨和剖析的基础上，提出其FPGA电路结构，选用并行结构及流水线办法规划电路。该结构经Spartan3 FPGA完结，其吞吐量为每周期1 bit，最大时钟频率为100 MHz，可以满意H．264中第3级及其以上层次实时视频编码的要求。
