适用于HEVC标准的二进制算术编码模块制造技术

本发明专利技术属于数字高清视频压缩编解码技术领域，具体为一种适用于HEVC标准的二进制算术编码模块。本发明专利技术设计的二进制算术编码模块分为4级流水线，其中，第一级根据待编码字符bin的状态索引查表得到RangeLPS和shift候选值；第二级用于更新Range值；第三级用于更新low值；最后一级用于将low值不在变化的比特位移出打包作为输出；本发明专利技术采用每个时钟周期处理4个编码字符的编码方式，并对二进制算术编码中的Regular模式，Bypass模式，Terminal模式分开处理，极大的提高了系统的吞吐率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数字高清视频压缩编解码
，针对HEVC视频编解码标准，具体涉及一种适用于HEVC视频编码标准的、二进制算术编码模块。
技术介绍
作为下一代视频编解码标准，HEVC(High Efficiency Video Coding)是于 2013年由国际电信组织(ITU)和运动图像专家组(MPEG)联合成立的组织JCTVC所提出。其目标是，与上一代标准H.264/AVC相比，在相同的视觉效果的前提下，比特率减少50%。上一代视频编解码标准H.264/AVC采用了两种编码方式:基于上下文的可变长编码CAVLC和基于上下文的二进制算术编码CABAC。而在HEVC标准的软件模型HM前期版本中也是采用了这两种编码方式，只是在编码过程，编码语法元素上做了修改。但是大量测试发现，在相同的编码内容上，CABAC比CAVLC节省了 8%~14%码流，因此在HM6.0以后HEVC只保留了 CABAC —种编码方式而不再支持CAVLC编码。在HEVC中米用的二进制算术编码模块是基于传统的算术编码改进而来。该编码方式有以下特点: (1)无损编码方式，适用于图像压缩处理； (2)被编码信息数据的符号序列表示成实数O和I之间的一个小数，无论信息有多长，其输出仅仅是一个数，而且是一个介于O和I之间的二进制小数； (3)在编码过程中需要不断计算被编码字符的概率。算术编码过程可总结如下: (1)编码器在开始时将“当前间隔”设置为; (2)对每一个编码字符编码器在当前间隔进行如下递归处理: Ca)将“当前间隔”按照各个编码字符的概率进行分割； (b)选中当前待编码字符编码器的分割区间为“当前间隔”，并回到(a)继续编码； (3)最后输出的“当前间隔”的下边界就是给定编码序列的算术编码。在硬件当中，整数计算比浮点数计算简单方便，而且在计算编码字符的概率当中除法也需要消耗较大的资源，因此HEVC中采用的二进制算术编码对传统的算术编码进行了以下改进: (1)编码器在开始时将“当前间隔”改为; (2)对当前的待编码字符概率计算由传统的除法运算改为查表计算，并设置了有64个状态的状态表，通过当前待编码字符在状态表中的索引查表计算概率； (3)HEVC建立399个上下文概率模型，不同的语法元素，同一个语法元素二进制序列的不同位对应不同的上下文概率模型，通过概率模型查表可得到相应的状态表索引。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计一种工作频率高、吞吐率高的适用于HEVC标准的二进制算术编码模块。本专利技术设计的二进制算术编码模块，如图1所示，分为4级流水线，其中，第一级根据待编码字符bin的状态索引查表，得到4个RangeLPS候选值以及相应的4个移位shift候选值；第二级用于更新Range值；第三级用于更新low值；最后一级用于将low值不在变化的比特位移出，打包作为输出。每一级流水线具体计算如下: 第一级计算RangeLPS。为了折中由乘法带来的计算复杂度，CABAC将所有的RangeLPS可能取值保存到一个64x4的表格内，而每个待编码字符bin的RangeLPS值需要根据其状态索引PState和当前Range值通过查找表格得到。因为第2、第3、第4个带编码字符bin的Range值在第一级流水线还不能计算出，所以不能确定具体的RangeLPS，为了不影响后续流水线的操作，这里只通过PState变量将4个RangeLPS全部取出，在第二级流水线Range值确定时再确定具体的RangeLPS的值。第二级计算划分区间Range，Range的计算公式由当前待编码字符bin和MPS来决定，当bin不等于MPS时则取概率区间RangeLPS。在编码过程中当Low的值过于小时，会对其进行修正操作，保证二进制计算过程正确进行，为了保证Range和Low值能--对应，对Range也要进行同样的计算操作，以保证计算过程在合理的区间范围内。如果将修正过程放到最后，就不能实现算术编码的四级流水，所以该设计中将修正过程前置，在更新Range的过程中完成Range修正重置计算，同时修正过程中用到的移位shift值由第一级查表得到。第三级计算划分区间下限Low值，同Range的计算过程类似，Low值的计算也是由bin和MPS来决定，并且在计算Low值的过程中还要完成修正的操作过程，经过逐步的移位操作，当计算达到一定程度时，Low值的高位数字不再变化，这时可以将它的高位输出到最终的bit流中去。第四级将Low的更新过程中移位出来的bit进行打包，形成最终的码流。二进制算术编码模块每个周期处理4个待编码字符bin ;每个bin的输入包括其状态索引PState，当前小概率字符LPS以及当前bin的模式MODE，如图2所示。二进制算术编码中有四种编码模式:regular模式，bypass模式，mult1-bypass模式和terminal模式，本专利技术将bypass模式，mult1-bypass模式合为一种模式mbypasss，并在每级流水线中将mbypass，regular和terminal模式分开处理，减小关键路径长度。【附图说明】图1:4级编码流水结构。图2:单个bin的算术编码流水结构。【具体实施方式】下面结合附图，对本专利技术做进一步的描述。首先结合附图1，介绍4个输入之间的数据依赖性。在二进制算术编码模块设计中，每个时钟周期处理4个待编码字符bin，如图1所示。每个bin的输入包括其状态索引PState，当前小概率字符LPS以及当前bin的模式MODE，如图2所示。在第一级流水线中，根据输入PState值会对表格Range Table和Shift Table进行查表，分别得到4个RangeLPS和Shift候选值。在本级中所用到数据只依赖于输入，各个bin之间无数据依赖性，因此4个bin的第一级是完全并行的。在第二级流水线中，4个bin都要更新Range，并且要用到前一个bin的更新后的Range值，因此4个bin之间存在严重数据依赖性:只有前一个bin的Range计算完成之后才能更新当前bin的Range值。第三级同第二级流水线相同，4个bin都要更新Low，并且要要用到前一个bin的更新后的Low值，因此4个bin之间存在严重数据依赖性:只有前一个bin的Low计算完成之后才能更新当前bin的Low值。4个输入bin的第四级流水线是合在一起计算完成bit pack的，没有数据依赖性。然后结合附图2，介绍每个输入bin的计算过程。在第一级流水线中，根据编码字符bin的状态索引PState对表格Range Table和Shift Table进行查表，分别得到4个RangeLPS和Shift候选值；并对这些候选值，输入的小概率字符LPS以及当前bin的模式MODE用寄存器保存下来，进入第二级流水线。在第二级流水线中，首先用前一个bin的Range值作为4_1选择器的输入从4个RangeLPS和Shift候选值中选出正确的RangeLPS和Shift值，然后根据这两个值以及前一bin个Range值分别算出Regular模式，Mbypass模式，Terminal模式以及Invalid模式下的当前bin的Range值，图中Inva本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于HEVC标准的二进制算术编码模块，其特征在于：所述二进制算术编码模块分为4级流水线，其中，第一级根据待编码字符bin的状态索引查表得到RangeLPS和shift候选值；第二级用于更新Range值；第三级用于更新low值；最后一级用于将low值不在变化的比特位移出打包作为输出；二进制算术编码模块每个周期处理4个待编码字符bin；每个bin的输入包括其状态索引PState，当前小概率字符LPS以及当前bin的编码模式MODE；二进制算术编码中有四种编码模式：Regular模式，Bypass模式，Multi‑bypass模式和Terminal模式，其中Bypass模式和Multi‑bypass模式合为一种模式Mbypasss，并在每级流水线中将Mbypass、Regular和Terminal模式分开处理，以减小关键路径长度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：范益波，程魏，郭勇，黄磊磊，金怡泽，曾晓洋，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31