適用于HEVC標準的二進制算術編碼模塊制造技術

本發明專利技術屬于數字高清視頻壓縮編解碼技術領域，具體為一種適用于HEVC標準的二進制算術編碼模塊。本發明專利技術設計的二進制算術編碼模塊分為4級流水線，其中，第一級根據待編碼字符bin的狀態索引查表得到RangeLPS和shift候選值；第二級用于更新Range值；第三級用于更新low值；最后一級用于將low值不在變化的比特位移出打包作為輸出；本發明專利技術采用每個時鐘周期處理4個編碼字符的編碼方式，并對二進制算術編碼中的Regular模式，Bypass模式，Terminal模式分開處理，極大的提高了系統的吞吐率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于數字高清視頻壓縮編解碼
，針對HEVC視頻編解碼標準，具體涉及一種適用于HEVC視頻編碼標準的、二進制算術編碼模塊。
技術介紹
作為下一代視頻編解碼標準，HEVC(High Efficiency Video Coding)是于 2013年由國際電信組織(ITU)和運動圖像專家組(MPEG)聯合成立的組織JCTVC所提出。其目標是，與上一代標準H.264/AVC相比，在相同的視覺效果的前提下，比特率減少50%。上一代視頻編解碼標準H.264/AVC采用了兩種編碼方式:基于上下文的可變長編碼CAVLC和基于上下文的二進制算術編碼CABAC。而在HEVC標準的軟件模型HM前期版本中也是采用了這兩種編碼方式，只是在編碼過程，編碼語法元素上做了修改。但是大量測試發現，在相同的編碼內容上，CABAC比CAVLC節省了 8%~14%碼流，因此在HM6.0以后HEVC只保留了 CABAC —種編碼方式而不再支持CAVLC編碼。在HEVC中米用的二進制算術編碼模塊是基于傳統的算術編碼改進而來。該編碼方式有以下特點: (1)無損編碼方式，適用于圖像壓縮處理； (2)被編碼信息數據的符號序列表示成實數O和I之間的一個小數，無論信息有多長，其輸出僅僅是一個數，而且是一個介于O和I之間的二進制小數； (3)在編碼過程中需要不斷計算被編碼字符的概率。算術編碼過程可總結如下: (1)編碼器在開始時將“當前間隔”設置為; (2)對每一個編碼字符編碼器在當前間隔進行如下遞歸處理: Ca)將“當前間隔”按照各個編碼字符的概率進行分割； (b)選中當前待編碼字符編碼器的分割區間為“當前間隔”，并回到(a)繼續編碼； (3)最后輸出的“當前間隔”的下邊界就是給定編碼序列的算術編碼。在硬件當中，整數計算比浮點數計算簡單方便，而且在計算編碼字符的概率當中除法也需要消耗較大的資源，因此HEVC中采用的二進制算術編碼對傳統的算術編碼進行了以下改進: (1)編碼器在開始時將“當前間隔”改為; (2)對當前的待編碼字符概率計算由傳統的除法運算改為查表計算，并設置了有64個狀態的狀態表，通過當前待編碼字符在狀態表中的索引查表計算概率； (3)HEVC建立399個上下文概率模型，不同的語法元素，同一個語法元素二進制序列的不同位對應不同的上下文概率模型，通過概率模型查表可得到相應的狀態表索引。
技術實現思路
本專利技術的目的在于設計一種工作頻率高、吞吐率高的適用于HEVC標準的二進制算術編碼模塊。本專利技術設計的二進制算術編碼模塊，如圖1所示，分為4級流水線，其中，第一級根據待編碼字符bin的狀態索引查表，得到4個RangeLPS候選值以及相應的4個移位shift候選值；第二級用于更新Range值；第三級用于更新low值；最后一級用于將low值不在變化的比特位移出，打包作為輸出。每一級流水線具體計算如下: 第一級計算RangeLPS。為了折中由乘法帶來的計算復雜度，CABAC將所有的RangeLPS可能取值保存到一個64x4的表格內，而每個待編碼字符bin的RangeLPS值需要根據其狀態索引PState和當前Range值通過查找表格得到。因為第2、第3、第4個帶編碼字符bin的Range值在第一級流水線還不能計算出，所以不能確定具體的RangeLPS，為了不影響后續流水線的操作，這里只通過PState變量將4個RangeLPS全部取出，在第二級流水線Range值確定時再確定具體的RangeLPS的值。第二級計算劃分區間Range，Range的計算公式由當前待編碼字符bin和MPS來決定，當bin不等于MPS時則取概率區間RangeLPS。在編碼過程中當Low的值過于小時，會對其進行修正操作，保證二進制計算過程正確進行，為了保證Range和Low值能--對應，對Range也要進行同樣的計算操作，以保證計算過程在合理的區間范圍內。如果將修正過程放到最后，就不能實現算術編碼的四級流水，所以該設計中將修正過程前置，在更新Range的過程中完成Range修正重置計算，同時修正過程中用到的移位shift值由第一級查表得到。第三級計算劃分區間下限Low值，同Range的計算過程類似，Low值的計算也是由bin和MPS來決定，并且在計算Low值的過程中還要完成修正的操作過程，經過逐步的移位操作，當計算達到一定程度時，Low值的高位數字不再變化，這時可以將它的高位輸出到最終的bit流中去。第四級將Low的更新過程中移位出來的bit進行打包，形成最終的碼流。二進制算術編碼模塊每個周期處理4個待編碼字符bin ;每個bin的輸入包括其狀態索引PState，當前小概率字符LPS以及當前bin的模式MODE，如圖2所示。二進制算術編碼中有四種編碼模式:regular模式，bypass模式，mult1-bypass模式和terminal模式，本專利技術將bypass模式，mult1-bypass模式合為一種模式mbypasss，并在每級流水線中將mbypass，regular和terminal模式分開處理，減小關鍵路徑長度。【附圖說明】圖1:4級編碼流水結構。圖2:單個bin的算術編碼流水結構。【具體實施方式】下面結合附圖，對本專利技術做進一步的描述。首先結合附圖1，介紹4個輸入之間的數據依賴性。在二進制算術編碼模塊設計中，每個時鐘周期處理4個待編碼字符bin，如圖1所示。每個bin的輸入包括其狀態索引PState，當前小概率字符LPS以及當前bin的模式MODE，如圖2所示。在第一級流水線中，根據輸入PState值會對表格Range Table和Shift Table進行查表，分別得到4個RangeLPS和Shift候選值。在本級中所用到數據只依賴于輸入，各個bin之間無數據依賴性，因此4個bin的第一級是完全并行的。在第二級流水線中，4個bin都要更新Range，并且要用到前一個bin的更新后的Range值，因此4個bin之間存在嚴重數據依賴性:只有前一個bin的Range計算完成之后才能更新當前bin的Range值。第三級同第二級流水線相同，4個bin都要更新Low，并且要要用到前一個bin的更新后的Low值，因此4個bin之間存在嚴重數據依賴性:只有前一個bin的Low計算完成之后才能更新當前bin的Low值。4個輸入bin的第四級流水線是合在一起計算完成bit pack的，沒有數據依賴性。然后結合附圖2，介紹每個輸入bin的計算過程。在第一級流水線中，根據編碼字符bin的狀態索引PState對表格Range Table和Shift Table進行查表，分別得到4個RangeLPS和Shift候選值；并對這些候選值，輸入的小概率字符LPS以及當前bin的模式MODE用寄存器保存下來，進入第二級流水線。在第二級流水線中，首先用前一個bin的Range值作為4_1選擇器的輸入從4個RangeLPS和Shift候選值中選出正確的RangeLPS和Shift值，然后根據這兩個值以及前一bin個Range值分別算出Regular模式，Mbypass模式，Terminal模式以及Invalid模式下的當前bin的Range值，圖中Inva本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適用于HEVC標準的二進制算術編碼模塊，其特征在于：所述二進制算術編碼模塊分為4級流水線，其中，第一級根據待編碼字符bin的狀態索引查表得到RangeLPS和shift候選值；第二級用于更新Range值；第三級用于更新low值；最后一級用于將low值不在變化的比特位移出打包作為輸出；二進制算術編碼模塊每個周期處理4個待編碼字符bin；每個bin的輸入包括其狀態索引PState，當前小概率字符LPS以及當前bin的編碼模式MODE；二進制算術編碼中有四種編碼模式：Regular模式，Bypass模式，Multi?bypass模式和Terminal模式，其中Bypass模式和Multi?bypass模式合為一種模式Mbypasss，并在每級流水線中將Mbypass、Regular和Terminal模式分開處理，以減小關鍵路徑長度。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：范益波，程魏，郭勇，黃磊磊，金怡澤，曾曉洋，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：上海;31