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- 韬 滕
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1 致谢 感谢金西老师, 能够在您的指导下完成我的毕业论文是我莫大的荣幸, 您在学习和生活中对我的指导, 您的生活态度 人格魅力 以及您对学术和人生的执著严谨的态度都给我留下了深刻的印象, 再次向您表示最诚挚的感谢和敬意 感谢实验室王东琳老师 李玲老师 谭吉来老师 项天学长和贾珅学长一直以来的支持与帮助, 让我在每个季节都能感受到春天般的温暖 特别感谢李老师提供的模块设计方案, 作为整个设计的指导 同时, 还要感谢李俐丽 周钰致和张雯玉同学, 你们和我一起学习, 分享快乐, 共同走过了一段美好的时光 最后, 深深地感谢我的父母, 你们一直支持我, 相信我, 让我能够没有负担地追求自己的梦想
2 内容摘要 随着计算机图像压缩算法和集成电路工艺等技术的不断进步, 可以支持 4K 全高清视频的数字电视技术已经走入寻常百姓家 本文介绍了一个支持实时硬解码 4K 高清视频的熵解码硬件模块的设计与实现, 作为实验室智能电视工作的一部分, 也为读者提供一个 RTL 设计过程的参考 关键字 : 高清视频视频解码熵解码 RTL 设计
3 Abstract With the development of computer image compression algorithm and integrated circuit technology, digital TV technology which can support 4K Full HD video has been introduced into the homes of ordinary people. This paper introduces the design and implementation of a entropy decoding hardware module which can support real time decoding of 4K HD video, as part of the intelligent television work of our lab, also provide a reference to the process of RTL design for readers. Keywords: design High-definition video, video decoding, entropy decoding, RTL
4 目录 第 1 章绪论 视频编码标准 H.264 背景介绍 文章的后续框架... 1 第 2 章熵解码模块的设计框架以及接口 视频编码算法简介 视频压缩的必要性 目标和可行性 H.264 视频编解码简介 H.264 视频熵编解码简介 熵解码模块的设计框架 熵解码模块层次流程图 模块层次和结构图 辅助部件功能描述 本章小结 第 3 章熵解码模块的设计思想举例 shifter 模块的设计 需求分析 设计简述 指数哥伦布码解码 指数哥伦布 (Exp-Golomb) 码介绍 设计简述 层次化解码的设计 状态机嵌套 状态机展开 状态机嵌套层次间信号传递 nc 存储和计算模块的设计与组织 需求分析 设计简述 本章小结
5 第 4 章模块功能测试与性能分析 测试背景及说明 模块功能测试 嵌套状态机 slice 及 macroblock 数据 residual 数据 模块性能分析 总体性能分析 细节性能分析 本章小结 第 5 章论文总结
6 图目录 [2] 图 2.1 H.264 解码器原理... 3 [2] 图 2.2 H.264 编码器原理... 3 图 2.3 Huffman 树实例... 5 图 2.4 二进制算术编码输出区间实例... 6 图 2.5 系数块编号... 8 图 2.6 示例视频的第一帧 ( 部分 )... 8 图 2.7 系数块扫描顺序... 9 图 2.8 示例视频第一帧的宏块 (0, 0) 的系数矩阵 ( 已量化 )... 9 图 2.9 片的句法结构 图 2.10 slice 解码流程 图 2.11 macroblock 解码流程 图 2.12 量化系数矩阵解码 图 2.13 一个量化系数矩阵的解码 图 2.14 slice 层状态机模块接口 图 2.15 macroblock 层状态机模块接口 图 2.16 CAVLC 编码方式的 residual 层状态机模块接口 图 2.17 ue 接口 图 2.18 se 接口 图 2.19 te 接口 图 2.20 me 接口 图 2.21 nc 预测模块接口 图 2.22 coeff_token 模块接口 图 2.23 storage 模块接口 图 2.24 shifter 模块接口 图 3.1 shifter 模块指针示意图 图 3.2 shifter 模块数据截取代码 图 3.3 指数哥伦布码的哈弗曼树表示 图 3.4 指数哥伦布码码表 图 3.5 前导零计算 ( 步骤 1)
7 图 3.6 前导零计算 ( 步骤 2) 图 3.7 状态机嵌套示意图 图 3.8 嵌套层次间 len 信号的传递 ( 不推荐的方式 ) 图 3.9 嵌套层次间 len 信号的传递 ( 推荐的方式 ) 图 3.10 帧, 宏块, 残差块的关系 图 3.11 预测 nc 的方式 图 3.12 Luma 残差块和宏块的从属关系,Luma 块之间的相邻关系 图 3.13 ChromaAC 残差块和宏块的从属关系,ChromaAC 块之间的相邻关系 图 3.14 Luma 残差块的参考方式, 箭头标记 图 3.15 ChromaAC 残差块的参考方式, 箭头标记 图 4.1 H264Visa 运行界面 图 4.2 Xilinx ISE isim 波形窗口界面 图 4.3 三个主要的状态机模块 图 4.4 状态机嵌套的正确性 ( 其二 ) 图 4.5 状态机嵌套的正确性 ( 其一 ) 图 4.6 slice 模块的输入 图 4.7 mb_type 解码正确性验证 ( 其一 ) 图 4.8 coded_block_pattern 解码正确性验证 ( 其一 ) 图 4.9 mb_type 和 coded_block_pattern 解码正确性验证 ( 其二 ) 图 4.10 H264visa 给出的反量化后残差数据 图 4.11 LumaDC 图 4.12 组图 ChromaDC 残差块 图 4.13 组图 Luma 残差块 图 4.14 组图 Cb-ChromaAC 残差块 图 4.15 组图 Cr-ChromaAC 残差块 图 4.16 解码时间 图 4.17 状态机嵌套导致的层间延迟 图 4.18 shifter 模块移入数据时引起的组合逻辑延迟 图 4.19 TrailingOnes 解码过慢 图 4.20 可被合并的节点一例
8 表目录 表 2.1 ue(v) 码表 表 2.2 se(v) 码表 表 2.3 coded_block_pattern 码表 表 2.4 亮度及色度 AC 系数对应的 total_zeros 码表 表 2.5 run_before(ce(v)) 码表 表 2.6 色度 DC 对应的 total_zeros 码表 表 2.7 nc(ce(v)) 码表 ( 部分 ) 表 2.8 Intra 类型的 mb_type 及其对应的 CodedBlockPattern 等含义.. 20 表 2.9 Inter 类型的 mb_type 及其对应的 MbPartWidth 等含义 表 2.10 storage 模块输入输出描述 表 2.11 shifter 模块输入输出描述
9 第 1 章 绪论 1.1 视频编码标准 H.264 背景介绍 ITU(International Telecommunication Union, 国际电信联盟 ) 是联合国的一个专门机构, 主管信息通信技术事务 ( 无线电通信, 标准化, 发展电信展览活动等 ), 是世界范围内联系各国政府和私营部门的纽带 CCITT(International Telephone and Telegraph Consultative Committee, 国际电报电话咨询委员会,1993 年改名为 ITU-T) 是 ITU 的常设机构之一, 主要职责是研究电信的新技术 新业务和资费等问题, 并对这些问题, 通过建议使全世界的电信标准化 1984 年到 2000 年间,CCITT(ITU-T) 成立了联合图像专家组 (JPEG, Joint Photographic Experts Group) 和活动图像专家组 (MPEG,Moving Picture Expert Group), 通过了 H.120 H.261 JPEG MPEG-1 MPEG-2 H.263 H.263+ H MPEG4 等图像或视频编码标准, [2] 为高清视频编解码的发展奠定了良好的基础 2003 年 3 月,ITU-T 和 ISO/IEC 正式公布了 H.264 视频压缩标准, 这就是被命名为 AVC(Advanced Video Coding) 的, 也被称为 ITU-T H.264 建议和 MPEG-4 的第 10 部分的标准, 在这里, 就简称它 H.264/AVC 或 H.264 它不仅显著提高了压缩比, 而且具有良好的网络亲和性, 加强了对 IP 网 移动网的误码和丢包的处理 有人将 H.264 称为新一代的视频编码标准 [2] 它优异的压缩性能也将在数字电视广播 视频实时通信 网络视频流媒体传递以及多媒体短信等各个方面发挥重要作用 1.2 文章的后续框架 这篇论文的下面部分将按照这样的顺序进行编排 : 第二章将详细的介绍本熵解码模块的设计框架以及接口 ; 第三章将介绍本文采用的一些设计思想 ; 第四章使用标准软件程序对视频码流进行熵解码, 并与本模块解码结果进行比较, 并简要分析解码模块的功能和效率 ; 最后一章将总结整个毕业论文的工作 1
10 第 2 章 熵解码模块的设计框架以及接口 本章将给出熵解码模块的设计框架以及接口 整个框架按照 H.264 标准码流的层次结构设计, 任何与标准对应的模块和信号的命名均严格与标准保持一致 由于视频编码的首要目的就是视频压缩, 下文将不区分视频压缩和视频编码这两个概念 2.1 视频编码算法简介 视频压缩的必要性 目标和可行性 本文讨论的视频, 是指来源于视频采集设备的像素信息按空间位置组织成帧或场, 并按时间先后串连成的一个图像序列 (PCM, 脉冲编码调制 ), 并非是由计算机图形软件制作的电脑动画, 也不涉及基于视频内容的编码 像素信息组合成的原始视频数据的数据量往往非常庞大 以目前 1080P 的视频来说, 的像素点阵, 每个像素点有 24 位的 RGB 颜色信息, 30fps( 帧 / 秒 ) 的帧率, 假定时长为 1h, 则总数据量为 625.7GB 也就是说, 如今市面上主流的 500G 硬盘不能装下一部 1 小时的高清短片的原始视频流 ; 用 1M 带宽的网络, 需要下载 小时 如果直接传输如此庞大的数据量, 我们习以为常的视频通话, 网络会议, 数字视频点播等等都只能是奢望 所以我们说, 视频压缩必不可少 视频压缩的基本目标是有很高的压缩比 ( 几百倍甚至更高 ), 同时不能损害太多图像的质量, 使观众感到不舒适 同时, 压缩算法要在满足高压缩比和保证质量的前提下尽可能地简单, 易于软硬件实现 对于视频压缩的可行性, 我们有四个基本考虑 : 1. 对于相邻的两帧, 图像之间往往有很高的相似度, 可以挖掘这些相似度 2. 对于一帧之内的相邻像素, 也有比较高的相似度可供挖掘 3. 对于 1 和 2 中提到的像素在时间和空间上的相关性, 编码端和解码端都可以通过已编码的几帧以及本帧中已编码的部分来给出下一帧或下一个 2
11 16 16 像素块 ( 称为宏块 ) 的一个预测 将预测和实际结果以某种方式做差, 得到的结果 ( 称为残差 ) 满足一定的概率分布和空间排布规律, 在二维离散平面上做频域变换, 得到的系数值将分布在一个更小的区间内 4. 对于在这个区间内的残差数据选取一个适中的值进行二次量化, 对结果采用哈弗曼编码, 二进制算术编码和游程编码即可实现压缩 当然, 压缩算法比这些叙述要复杂得多 H.264 视频编解码简介 上一节已经介绍了编码原理, 下图是 H.264 编码和解码的原理示意图 : 图 2.1 H.264 解码器原理 [2] 图 2.2 H.264 编码器原理 [2] H.264 的算法比较复杂, 在这里只讨论编解码算法的主干部分, 以便我们对熵解码的讨论可以进行下去, 但是并不能保证正确性和精确性 每一帧被分成一个个严丝合缝的 小方格, 称作 宏块 3
12 (macroblock), 以宏块为单位进行编解码 通过帧间或者帧内的已知数据, 预测出每个宏块中的像素值, 用每个宏块的真实像素值与预测值做差, 得到的残差是一个矩阵, 再进行偶延拓后的离散余弦变换 T, 得到系数矩阵, 这时为了提高编码的压缩效率, 将根据系数的取值进行 量化 Q, 即系数矩阵中的元素同时整除一个量化系数, 然后系数重新排序, 再将每个元素进行 CAVLC 或 CABAC 编码 ( 后文将提到 ), 将每个元素的位置进行游程编码 ( 后文将提到 ), 输出 [1] H.264 视频熵编解码简介 熵编码是无损压缩技术, 基于输入串的统计特性 这里的 熵 是信息论中的概念 : 设信源的发出的信号 x1, x2, x3,, xn, 每个信号是独立出现的 概率分别 是 p1, p2, p3,, pn 则每个信号的信息量 ( 以 bit 记 ) 为 : I i log 2 pi 则由于各信号的统计分布, 平均信息量 H 可以求得 : n H p log p i 1 定义 H 为信源的熵 可以证明它是一个信源发出的信号无损压缩所需的码长下界 在实际应用中, 已经有两种算法用于产生接近此下界的压缩算法 : 哈弗曼编码和二进制算术编码 哈弗曼编码, 哈弗曼树哈弗曼编码是以一个个信号为单位编码的, 按照信号出现的概率大小分配不同长度的码字, 同时保证任意一个码字不会是任意另一个码字的前缀 例如 8 个信号 x1, x2, x3,, x8 的信源, p 1, p 2, p 3,, p 8 分别为 , 则每个信号编码后的结果可以是 ( 二进制 ):100, 0, 11101, 101, 11100, 1100, 1111, i 2 i 4
13 将结果用树的形式表达, 得到哈弗曼树 : (1) 0 1 2(0.5) (0.5) 0 1 (0.2) (0.3) (0.1) 4(0.1) (0.11) (0.19) (0.06) 8(0.05) (0.1) 7(0.09) 0 1 5(0.05) 3(0.05) 图 2.3 Huffman 树实例 二进制算术编码与哈弗曼编码的出发点完全不同, 二进制算术编码为整个待解码的码流分配一个超长码字, 弥补了哈弗曼编码为每个信号分配一个码字导致编码较长的不足 输入是二进制的 0/1 串, 输出是一个 [0,1) 之间的浮点数 它的算法举例说明 : 输入串为 0011,( 为讨论方便, 以一个较短的码流为例 ) 假定统计数据表明该信源产生的信号中 0 出现的频率为 5/8,1 出现的频率 5
14 是 3/8, 而这一信息编解码双方都知晓 则随着从左到右一个个比特的 读取并编码, 输出的区间依次为 : [0, 5/8), [0, 25/64), [125/512, 25/64), [85/256, 25/64) 图 2.4 二进制算术编码输出区间实例即, 每读到 0, 将保留上次输出区间的左边 3/5, 每读到 1, 保留右边 2/5 当读完整个输入串, 输出结果区间内的任意一个值即可 解码时, 每按照概率划分一个区间, 就得到一个码字, 并更新区间 按顺序得到 0,0,1,1 上下文相关且自适应的编码改进在实际应用的熵编码算法中, 不论是哈弗曼编码还是二进制算术编码, 都进行了上下文相关和编码方式自适应的改进 1) 哈弗曼编码 CAVLC(Context-based Adaptive Variable Length Coding) 首先, 为了保证压缩速度以至于实现实时压缩 ( 录像时必须实时压缩 ), 不能像压缩文件那样, 先读入所有的比特流, 通过统计得到每个字节的频率, 并保存成哈弗曼树的形式, 再按照此哈弗曼树进行编码, 而应该是将视频编码后的码流分成不同的子部分 ( 称为 句法元素, 比如头信息中的不同的信息域 ), 并对每个句法元素应用不同的哈弗曼码表, 而这个码表是预先统计生成的, 作为标准的一部分 上下文相关编码的方式可以根据不同的句法元素采用更合适的码表, 又可以避免压缩过程中的统计工作, 是一个较好的折中方案 其次, 对于较大的变换系数, 分成前缀和后缀两部分来处理, 前缀是高几位, 有统计规律, 用查表实现 ; 后缀是较低的几位, 一般来说比较随机, 直接写入码流而不压缩 通过这样以及类似的方式实 6
15 现了编码的自适应 通过以上两种优化, 由哈弗曼编码的理论得到了 CAVLC 编码方式 2) 二进制算术编码 CABAC(Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding) 首先, 也应该根据不同的句法元素等因素来应用不同的概率模型 ( 不同的 0 和 1 的概率取值 ), 实现上下文相关的编码 其次, 每个上下文模型还有一个概率表, 能够动态地改变编码器和解码器所认为的 0 和 1 的取值概率, 实现自适应编码 通过以上两种优化, 由二进制算术编码得到了 CABAC 编码方式 对于熵编解码的讨论还有一个重要方面不能被忽视 系数重排序和游程编码 编码过程中的残差矩阵变换得到系数矩阵主要是基于让系数集中, 并且用更少的位来编码的考虑 首先需要说明的是, 编码过程中像素的颜色表示并不是 RGB, 而是亮度 - 色度 - 色度 (L-Cb-Cr) 的方式, 这样的表示方法是出于减少编码内容的考虑 研究表明, 对于宏块的三个 的分量 L-Cb-Cr, 将 Cb 和 Cr 缩小为 8 8 的块, 每四个像素共用一个 Cb 和一个 Cr 元素, 人眼的感受没有太大区别, 所以将编码 的 L 分量,8 8 的 Cb 和 Cr 分量 在编码残差和系数矩阵时, 以 4 4 的块为一个单元 Luma 和 Chroma 分别代表亮度和色度,DC 代表直流流分量 根据不同的预测类型和上下文,LumaDC 块可能不被编码 因为 Cb Cr 的块是 4 4 的,Cb Cr 的 DC 分量 (ChromaDC 7
16 块 ) 是 2 2 的 编号如下 : 图 2.5 系数块编号对于系数的重排序, 说明如下 : 图 2.5 中的各块 (16 16 或 4 4), 一般有低频项比高频项大的规律 在量化后, 得到的量化系数块在高频处更是以 0 居多 例如图 2.6 中的第一个宏块的系数矩阵 ( 图 2.8): 图 2.6 示例视频的第一帧 ( 部分 ) 8
17 图 2.8 示例视频第一帧的宏块 (0, 0) 的系数矩阵 ( 已反量化 ) 所以, 将系数矩阵用一种 zig-zag 的方式编码, 用 CAVLC 或 CABAC 记录系 数之间 0 的个数, 可以期待更高的压缩效率 系数重排序的顺序如下 : 图 2.7 系数块扫描顺序 9
18 2.2 熵解码模块的设计框架 熵解码模块层次流程图 首先需要说明,H.264 的码流是有结构层次的, 结构层次和句法元素的相对位置构成了 H.264 的句法 为了提高网络亲和性, 将编码后的视频码流划分为视频编码层 (Video coding layer,vcl) 和网络提取层 (Network AbstractionLayer,NAL), 在这里不详细讨论 本文涉及到的模块是一种重要的 NAL 单元 片 (Slice), 而片中最主要的基本结构就是宏块 片的结构示意图如下 : 图 2.9 片的句法结构因此, 将解码一个 slice 的状态机按照句法结构来划分是非常自然的事情 本文讨论的 熵解码 是指将编码后的 slice 码流经过 CAVLC 解码和系数顺序恢复, 得到量化后的残差矩阵, 以便后面的解码操作, 不考虑 CABAC 编码模式 10
19 下面是各层次结构的解码流程图 : 图 2.10 slice 解码流程 11
20 图 2.11 macroblock 解码流程 12
21 图 2.12 量化系数矩阵解码 13
22 称呼 图 2.13 一个量化系数矩阵的解码 注 : 在熵解码中, 将量化后的系数矩阵称作 残差块, 这不是非常规范的 14
23 因为使用 CAVLC 编码方式, 解码时有很多需要查的表, 举例如下 : [1] 表 2.1 ue(v) 码表 这是一个特殊的哈弗曼编码, 称作指数哥伦布码, 下文有详细的介绍 表 2.2 se(v) 码表 15
24 表 2.3 coded_block_pattern 码表 16
25 表 2.4 亮度及色度 AC 系数对应的 total_zeros 码表 17
26 表 2.6 色度 DC 对应的 total_zeros 码表 表 2.5 run_before(ce(v)) 码表 18
27 表 2.7 nc(ce(v)) 码表 ( 部分 ) 19
28 表 2.8 Intra 类型的 mb_type 及其对应的 CodedBlockPattern 等含义 20
29 表 2.9 Inter 类型的 mb_type 及其对应的 MbPartWidth 等含义 模块层次和结构图 为了快速地查找变长的表格, 将模块分为一个状态机和多个解码单元 ; 为了实现层次化的解码和层次化的状态管理, 将熵解码模块划分为不同的层次, 每个层次的状态机是嵌套的 状态机部分 : 和上一节中提到的解码流程图类似, 嵌套状态机分为 slice 层 macroblock 层 residual 层, 但是稍有不同的是,residual 层是解码一个残差块的层, 将全体残差块的解码作为宏块解码的一部分, 并不作为一个单独的层, 以简化逻辑, 缩短逻辑长度 21
30 图 2.14 slice 层状态机模块接口 22
31 图 2.15 macroblock 层状态机模块接口 23
32 图 2.16 CAVLC 编码方式的 residual 层状态机模块接口 24
33 解码器部分 : 解码器主要是指数哥伦布解码 (ue se te 等 ) 和查表模块 (me nc_calculate coeff_token 等 ) 图 2.17 ue 接口 图 2.18 se 接口 25
34 图 2.19 te 接口 图 2.20 me 接口 26
35 图 2.21 nc 预测模块接口 图 2.22 coeff_token 模块接口 27
36 辅助部件 : 为了实现 nc 的预测, 同时也是自适应编码的一种体现, 应该保存本 slice 内已编码宏块的 nc 值, 需要一个 storage 模块 ; 为了能够在变长解码的使用环境下迅速地得到有效数据, 需要一个 shift 模块做读数和移位操作 图 2.23 storage 模块接口 28
37 图 2.24 shifter 模块接口 29
38 2.2.3 辅助部件功能描述 storage 信号 方向 位宽描述 clk I 1 系统时钟 resetn I 1 reset 信号, 低有效 wr_valid I 1 指示应该保存残差块的信息 mbaddr_x I 8 宏块的横坐标,0 开始 macroblock_availablea I 1 当前宏块左边宏块的数据存在 macroblock_availableb I 1 当前宏块左边宏块的数据存在 Idx_4x4 I 5 残差块的索引 (0-26) nc I 5 由 na nb 预测出的当前残差块的 nc isintra I 2 高位 : 是 inter 型低位 : 是 intra 型 PicWidthInMbs I 13 整幅图像的长度, 以宏块为单位记 skip_4x4 I 1 跳过一个残差块,nC 和 isintra 自动推导 skip_mb I 1 跳过整个宏块,nC 和 isintra 自动推导 PCM I 1 遇到一个 PCM 方式编码的宏块,nC 和 isintra 自动推导 na O 4 当前残差块左方块的 nc nb O 4 当前残差块上方块的 nc availablea O 1 当前残差块左边残差块的数据存在 availableb O 1 当前残差块左边残差块的数据存在 isintraa O 2 当前残差块左边残差块的 isintra isintrab O 2 当前残差块上边残差块的 isintra 表 2.10 storage 模块输入输出描述 功能描述 30
39 为了预测当前被解码残差块的系数个数, 并据此进行自适应查表解码, 需 要保存已经解码宏块中残差块的 nc 值 每个 slice 的宏块是独立预测的, slice 解码完成后要清空数据 shifter 信号 方向 位宽描述 clk I 1 系统时钟 resetn I 1 reset 信号, 低有效 datain I 64 下一段被读取的比特流,64 位长度 datain_valid I 1 输入数据有效 datain_req O 1 请求输入数据 dataout_req I 1 数据输出请求 dataout_len I 5 输出数据的长度 dataout_ready O 1 输出数据有效 dataout O 32 输出的数据 表 2.11 shifter 模块输入输出描述 功能描述 辅助变长编码, 实现数据的整入散出 要求输入 64 位数据, 而本模块每次请求会读入 32 位数据 每次成功读取 时, 要求输入的高 32 位数据变为低 32 位, 同时高 32 位被码流后面的 32 位数 据填充 输出是待解码码流的前 32 位数据, 每次成功的输出, 将输出码流移位, 移 位长度为 dataout_len 将接口做成 FIFO 的形式, 输入请求只有在输入有效的情况下才能被应答, 输出请求只有在输出有效的情况下才能被应答 2.3 本章小结 本章介绍了 H.264 编码的主线算法, 给出了熵解码模块的设计框架以及接 口, 对未在标准中提及的模块给出了描述 31
40 第 3 章 熵解码模块的设计思想举例 本章讨论一些硬件模块的设计思想 由于本人在集成电路设计领域仍处在 学习进步阶段, 难免会有很多错误和幼稚的做法, 以下内容仅供参考 3.1 shifter 模块的设计 需求分析 数据规模 每次输出的长度在 31 位以内 将两端的接口均做成 FIFO 的形式 应该使用 First-Word Fall-Through [3] 模式读取, 读取数据的同一个周期输出读取的长度, 作为移位的长度 应该立即响应输出请求, 即在接到移位长度的同一个周期实现移位, 以保证下一个周期便能读到正确的数据 实现码流的任意移位 输出待解码码流的前 32 位数据, 每次成功的输出, 将输出码流移位, 移位长度为 dataout_len 为了保证解码速度, 应该在输入数据一直有效时, 保证输出数据也不断流 设计简述 为了实现连续输出 31 位数据不断流, 应该寄存 64 位的数据, 由输入寄存, 在 shifter 中只是一个连线 (datain) 为了实现变长数据输出, 储存一个索引 ( 用 指针 ptr 表示 ) 标记数据流的下一位 为了能够立即响应输出请求, 应该管理一个超前指针 (ptr_pre) 输出数据是 ptr_pre 指示的比特和它之后的 31 个比特 每得到输出数据的信号, 下一个周期 ptr 移动相应的长度, 本周期 32
41 ptr_pre 即提前移动, 立即改变输出 ptr_pre 指到 datain 的后半段 ( 第 32 位及以后 ) 时, 发出 datain_req 信号 举例如, 当前 ptr 指向 25,dataout_valid 和 dataout_req 均为高, dataout_len 指示 18,ptr_pre 指向 43, 同时 datain_req 变高, 期待下个周期可以读入数据 图 3.1 shifter 模块指针示意图实现变长输出不能采用移位的方式, 否则作为一个基本模块, 不必要的门翻转次数过多 此外, 硬件逻辑会因为移位长度从 1 到 31 的不确定而变得比较复杂 作为折中, 采取了分步截断方式 : 将输出的求解分为几个阶段, 每个阶段可以截取长度为 1,2,4,8,16,32 的数据或者不截取, 即可实现任意长度截取 对于此算法,Verilog 代码的展示比框图的展示更为直观 : 图 3.2 shifter 模块数据截取代码 33
42 3.2 指数哥伦布码解码 指数哥伦布 (Exp-Golomb) 码介绍 指数哥伦布码是一种特殊的哈弗曼编码, 其本质是认为被编码的信号为 0 的概率至少为 1/2, 为 1 和 2 的概率之和又占其余概率的至少 1/2, 图 3.3 指数哥伦布码的哈弗曼树表示 34
43 完整的指数哥伦布码的码表如下 : 图 3.4 指数哥伦布码码表作为一种特殊的哈弗曼编码, 指数哥伦布码有一个很好的特性 : 在解析出表示当前信号的比特 ( 称为一个码字 ) 后, 直接减一即为被编码的信号值 ( 称为结果 ) 例如: 1 是一个码字, 解码结果为 1-1 = 0; 是一个码字, 解码结果为 6-1 = 设计简述 为了迅速实现指数哥伦布码的解码, 只需找出前导零的个数 n, 同时截取 2n+1 个比特作为当前码字, 再减掉 1 即可得到解码结果 快速解码的关键是快速判断前导零的个数 为了实现快速解码前导零, 专门设计了解码模块 first_zeros_count, 输入为 32 位比特流, 输出为 4 位的前导零长度, 支持解码 31 位的指数哥伦布 35
44 码 解码前导零的过程分为两个步骤 : 先将 前导零 +1+ 后缀 的码字模式变为 前导零 +1+ 后缀全变成 0 的模式 ( 确保有且只有一个 1), 然后结果的各位由 1 的位置确定其取值 步骤 1: 中间结果的每一位是对应位和对应位的前面各位的非取与 下图以第中间结果第 5 位的计算为例 : 图 3.5 前导零计算 ( 步骤 1) 步骤 2: 中间结果中 1 所在的位置也是前导 0 的个数 将各位置的下标 ( 从 0 开始计 ) 表示成二进制, 从高到低共 4 位, 对应位置为 1 的, 在结果的对应位上取或 Verilog 代码如下 : 图 3.6 前导零计算 ( 步骤 2) 3.3 层次化解码的设计 状态机嵌套 上文已经提到状态机嵌套的方式实现层次化解码, 这里提出几点需要注意 的问题 嵌套的目的是为了方便层次化地管理解码状态, 比如每个语法层次 36
45 (slice,macroblock,residual 等 ) 的初始化 ( 放置输入和相关寄存器置默认值 ), 也为了方便代码的管理 嵌套总是有代价的 有时是周期延迟, 有时是关键路径的延长 不能嵌套太多层次 嵌套的实现方式如下 : 为每一个层次的状态机设置一个当前解码的初始化状态 ( 为寄存器设置初值 ) 和一个 end 状态 ( 这个状态什么都不做, 只是转移到初始化状态 ) 每到 end 状态时, 通知上层解码完成 注 : 这样做, 每次解码需要等待一个周期 (end 状态 ) 图 3.7 状态机嵌套示意图 37
46 3.3.2 状态机展开 同 状态机嵌套中的讨论, 嵌套总是有代价的, 在解码的层次化之 外, 不应该设置状态机的层次化, 免得关键路径过长 取而代之的是将小的嵌 套状态直接展开为状态 + 编号的形式 状态机嵌套层次间信号传递 解码过程中 dataout_len 有两个主要来源 : 指数哥伦布解码模块和普通的变长编码查表解码模块, 这两种模块的解码长度信息需要在层次之间传递和汇总 为了能够快速解码, 并不为解码模块设置 valid 信号并且在应该解码时置 1, 以节省一个周期 解码的组合逻辑往往比较复杂, 很容易成为关键路径 为了缩短关键路径, 不能在层次之间用使能逻辑整合信号, 而应该在保证各层次的 dataout_len 只有零个或一个不为 0 的前提下, 直接全部按位取或 Multiplexer e_len S1 D len v_len S 2 sub_block C ENB Multiplexer S1 D len e_len v_len S 4 C 1 C 2 ENB top_block 图 3.8 嵌套层次间 len 信号的传递 ( 不推荐的方式 ) 38
47 Multiplexer e_len S1 D len v_len S 2 sub_block C ENB e_len Multiplexer S1 D len len v_len S 2 C ENB top_block 图 3.9 嵌套层次间 len 信号的传递 ( 推荐的方式 ) 3.4 nc 存储和计算模块的设计与组织 需求分析 实现 nc 预测 储存每个残差块的 nc 值 按宏块坐标和残差块索引进行储存和读取 仔细设计数据组织方式, 使得节省寄存器的个数, 优化电路面积 图 3.10 帧, 宏块, 残差块的关系 39
48 需要预测的是 LumaDC Luma,ChromaAC, 其中 LumaDC 的 nc 预测 值借用左上角的 Luma 残差块的预测值,Luma 和 ChromaAC 分别预 测, 预测的方式如下 : 图 3.11 预测 nc 的方式 图 3.12 Luma 残差块和宏块的从属关系,Luma 块之间的相邻关系 图 3.13 ChromaAC 残差块和宏块的从属关系,ChromaAC 块之间的相邻关系 40
49 图 3.14 Luma 残差块的参考方式, 箭头标记 图 3.15 ChromaAC 残差块的参考方式, 箭头标记 正确处理宏块跳过 残差块跳过 P 帧和 B 帧有宏块被跳过的可能性, 还有 PCM 宏块, 还有宏块被编 [1] 码, 但残差块未被编码的情况这些都需要正确地储存并预测 41
50 3.4.2 设计简述 由图 3.14 和图 3.15 可知, 不需要保存全部已解码残差块的 nc, 只要保存上一行宏块的最后一行以及左边已解码宏块的右边一列的残差块的 nc 即可 如果是宏块内部的残差块 ( 称为内部块 ), 一定有可以参考的残差块, 否则看所在宏块的数据是否有效 在进行解码的过程中, 更新 nc 存储的时机为 : 每个残差块解码完成之后, 更新对应列和行的 nc 值, 所有的残差块均索引到对应列和对应行, 解码内部块时无需额外存储, 也没有额外的门翻转 在残差块索引为 26 的时候才更新待储存宏块的数据, 否则内部残差块的预测将错误 3.5 本章小结 本章讨论了一些硬件模块的设计思想, 很多模块的设计还有优化的空间, 比如指数哥伦布解码时的前导零计算, 本文提到的设计和直接使用 casex 而让综合工具给出优化的方式还需要进一步比较, 由比如 shifter 模块的位移 32 位操作可以优化掉, 避免不必要的门翻转和不必要的功耗 42
51 第 4 章 模块功能测试与性能分析 本章介绍模块的功能仿真与测试, 初步验证整个模块的设计正确性, 并简 要分析模块的性能 4.1 测试背景及说明 用 Verilog HDL 语言编写代码, 硬件实现方式是 ASIC 为了调试方便, 在 Xilinx ISE 上进行前仿真, 采用默认配置的工程, 调试完成后可以用 ISE 综合, 未进行后仿真 因为是视频解码过程中的一个模块, 不能直接显示成一帧帧的图像, 为了方便大规模调试, 应该用标准软件程序解码并提取相关的中间数据, 与仿真得到的结果比对 数据抽取是我们实验室别人的工作 但是截至论文要求提交的 3 天前, 还未收到准确无误的数据, 大规模调试已经不可能 为了证明数据的正确性, 以 I-slice 的第一个 macroblock 为例, 参考 H.264 码流分析软件 H264Visa 的结果, 初步验证设计的正确性 严格的功能测试应该在拿到数据之后进行 图 4.1 H264Visa 运行界面 43
52 图 4.2 Xilinx ISE isim 波形窗口界面 4.2 模块功能测试 嵌套状态机 在 isim 中按模块设置信号的 group, 主要关注 slice,macroblock, residual 三者的状态嵌套和信号传递 图 4.3 三个主要的状态机模块将每层的状态机寄存器和解码位宽信息排列到一起, 从上到下依次是 slice 层 macroblock 层 residual 层的状态寄存器和当前解码位宽, 可以发现嵌套状态和信号传递正确 residual 模块的 end 状态取值为 10,macroblock 模块的 end 状态取值为 44
![27 注意图 4.4 中的黄色竖线处, 恰好是一个宏块的最后一个残差块解码完 成, 可以清楚地看到状态机嵌套的结束处理 图 4.5 状态机嵌套的正确性 ( 其一 ) 图 4.4 状态机嵌套的正确性 ( 其二 ) 4.2.2 slice 及 macroblock 数据 由下图看出,slice 模块的输入表明, 这是一个 I-slice [1], 使用 CAVLC 编 码, 像素模式 4:2:0 [1], 是一帧的第一个 slice,slice 的编码长度是 12002456 图 4.](/docs-images/92/107773948/images/53-1.jpg "6 slice 模块的输入 根据图 2.10 slice 解码流程, 直接进入 macroblock 层的解码 在 macroblock 层, 根据图 2.11 macroblock 解码流程, 需要解码 45")
53 27 注意图 4.4 中的黄色竖线处, 恰好是一个宏块的最后一个残差块解码完 成, 可以清楚地看到状态机嵌套的结束处理 图 4.5 状态机嵌套的正确性 ( 其一 ) 图 4.4 状态机嵌套的正确性 ( 其二 ) slice 及 macroblock 数据 由下图看出,slice 模块的输入表明, 这是一个 I-slice [1], 使用 CAVLC 编 码, 像素模式 4:2:0 [1], 是一帧的第一个 slice,slice 的编码长度是 图 4.6 slice 模块的输入 根据图 2.10 slice 解码流程, 直接进入 macroblock 层的解码 在 macroblock 层, 根据图 2.11 macroblock 解码流程, 需要解码 45
54 mb_type mb_pred mb_qp_delta coded_block_pattern 在 status 为 1 时解 码 mb_type,status 为 18 的时候解码 coded_block_pattern, 这两个数据在码 流分析工具里有直接的结果, 其余两个信号的正确性暂时无法验证 图 4.7 mb_type 解码正确性验证 ( 其一 ) 图 4.8 coded_block_pattern 解码正确性验证 ( 其一 ) 图 4.9 mb_type 和 coded_block_pattern 解码正确性验证 ( 其二 ) residual 数据 一个 macroblock 有 27 个 residual block, 每个 residual block 有 4 或 16 个 32 位的数据项, 数据量较大, 是验证的主体部分 但是没有直接的验证 数据, 只能从分析软件给出的反量化后的残差数据进行间接验证 截图如下 : 46
55 图 4.10 H264visa 给出的反量化后残差数据 由于每个残差块结果得出的过程比较复杂, 直接在每个残差块解码完成的 阶段截图展示系数恢复正确 截图如下 :(blkidx 即为残差块序号 ) 图 4.11 LumaDC 47
56 48
57 图 4.13 组图 Luma 残差块 图 4.12 组图 ChromaDC 残差块 图 4.14 组图 Cb-ChromaAC 残差块 49
58 图 4.15 组图 Cr-ChromaAC 残差块 将以上各图中的系数信息和图 4.10 H264visa 给出的反量化后残差数据 对照, 即可知道, 残差块解码完全正确 4.3 模块性能分析 总体性能分析 由下图可知, 第一个宏块的解码在 2665ns 结束, 考虑到仿真的 resetn 在 55ns 才置 1, 第一个宏块的解码的仿真时间为 2610ns 又从 clk 波形看到 10ns 为一个周期, 解码第一个宏块需要 261 个周期 得到了 mb_type mb_pred mb_qp_delta coded_block_pattern 和 27 个残差块的所有系数, 可以说解码效率还是比较高的 图 4.16 解码时间对于 300MHz 的实际时钟, 均按照此宏块计, 每秒约可以解码 10 6 个宏块, 而 30fps 的 1080P 视频一秒钟所需要处理的宏块个数是 : ( ) 对 1080P 高清视频, 实时解码只占用了 1/4 的时间, 还有足够的空间供数据等待 流水线延迟等消耗 而对于 4K 全高清视频, 刚好处理时间和播放时间一致 但这是比较危险的, 应该进一步优化逻辑, 为设计留有余量 综上, 初步结果表明总体性能已经达到设计要求 5 50
59 4.3.2 细节性能分析 尽管设计基本达到要求, 在调试过程中发现还是有很多可以改进的细节 嵌套延迟由下图可以看出, 嵌套的状态机层间通知完成需要一个周期的延时 而这个延迟没有证据表明是不可避免的 图 4.17 状态机嵌套导致的层间延迟 逻辑待优化 shifter 模块移入数据时会引起组合逻辑延迟 ptr 和 ptr_pre 需要重新定位 图 4.18 shifter 模块移入数据时引起的组合逻辑延迟 解码 TrailingOnes 的逻辑待优化 不论 TrailingOnes 有几个, 在 一个周期内实现不是不可以实现的 图 4.19 TrailingOnes 解码过慢 存在空跳转状态 图 2.10 slice 解码流程图 2.11 macroblock 解码流程图 2.12 量化系数矩阵解码中的很多节点是分支节点, 并不进行解码, 这些节点的大量存在增加了系统的延迟 为了避免这一情况, 应该将这些节点尽可能地合并 51
60 图 4.20 可被合并的节点一例 4.4 本章小结 本章介绍了模块的功能仿真与测试, 初步验证了整个模块的设计正确性, 并简要分析了模块的性能 同时指明了下一步工作的方向 继续仿真, 等待 验证数据并进行大规模仿真, 进行逻辑的优化 52
61 第 5 章 论文总结 本文介绍了视频熵解码模块的设计与实现, 从原理概述 熵解码所包含的内容, 到熵解码模块设计和描述, 以致最后的仿真, 比较全面地展示了 RTL 设计的流程 本文介绍的工作量并非本人一个学期所能完美完成, 一路走来发现很多问题, 有个人数字设计能力的严重不足, 有与同学交流能力的欠缺, 欠缺更多的是工程人员的视野和视角 很荣幸能够一路走到今天, 很感谢帮助我的师长和同学 很感谢我女朋友李俐丽一路上的陪伴, 你存在, 我深深的脑海里, 我的梦里, 我的心里, 我的论文里 本文仓促定稿, 会有很多不足乃至错误, 我会在今后的日子里将此模块更加完善 比如 shifter 模块的多余门翻转问题, 前导零计算的优化方案,RTL 代码向行业规范靠拢, 查表模块的实现方案优化, 状态机嵌套后的周期时延优化等 真正搞清这些问题, 本模块才真正走向成熟了 53
62 参考文献 [1] SERIES H: AUDIOVISUAL AND MULTIMEDIA SYSTEMS Infrastructure of audiovisual services Coding of moving video, Advanced video coding for generic audiovisual services [S]. [2] 新一代视频压缩编码标准 : H. 264/AVC[M]. 人民邮电出版社, 信息论与编码. [3] Moss W E. First in first out (FIFO) memory: U.S. Patent 4,151,609[P]
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求出所有的正整数 n 使得 20n + 2 能整除 2003n + 2002 n 20n + 2 2003n + 2002 n 20n + 2 2003n + 2002 求所有的正整数对 (x, y), 满足 x y = y x y (x, y) x y = y x y. (x, y) x y = y x y 对于任意正整数 n, 记 n 的所有正约数组成的集合为 S n 证明 : S n 中至多有一半元素的个位数为
1 VLBI VLBI 2 32 MHz 2 Gbps X J VLBI [3] CDAS IVS [4,5] CDAS MHz, 16 MHz, 8 MHz, 4 MHz, 2 MHz [6] CDAS VLBI CDAS 2 CDAS CDAS 5 2
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32 1 Vol. 32, No. 1 2014 2 PROGRESS IN ASTRONOMY Feb., 2014 doi: 10.3969/j.issn.1000-8349.2014.01.07 VLBI 1,2 1,2 (1. 200030 2. 200030) VLBI (Digital Baseband Convertor DBBC) CDAS (Chinese VLBI Data Acquisition
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立 法 會 CB(2)2292/04-05(01) 號 文 件 ( 立 法 會 秘 書 處 撮 譯 本, 只 供 參 考 用 ) ( 香 港 律 師 會 用 箋 ) 民 政 事 務 局 許 鄔 芸 芸 女 士 : 閣 下 2005 年 7 月 5 日 來 函 收 悉 2005 年 收 入 ( 取 消 遺 產 稅 ) 條 例 草 案 律 師 會 遺 產 事 務 委 員 會 研 究 了 政 府 當 局
《美国名将全传——德怀特·戴维·艾森豪威尔》
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Sunac China Holdings Limited (the Company or our Company, and together with its subsidiaries collectively referred to as the Group ), is specialised in the integrated development of residential and commercial