论文部分内容阅读
随着视频压缩技术、计算机、通信技术以及微电子技术的发展,H.264/AVC作为一种新的压缩标准孕育而生。较之于以往压缩标准,H.264/AVC具有高压缩比和网络亲和特性,在同样的视频质量下,它比MPEG-2节约60%比特率,比MPEG-4节约40%的比特率。它的优良特性归功于许多关键技术,如帧内预测、多参考帧运动补偿以及增强型熵编码等。同时,这也致使它的编码复杂性显著增大,从而导致实时编码应用的可行性得不到保证,而且庞大的运算量会造成严重的功耗。因此,H.264的VLSI研究具有重要意义。增强型熵编码是H.264/AVC核心部分之一,主要包括基于上下文的自适应变长编码(Context-Based Adaptive Variable Length Coding,CAVLC),以及基于上下文的二进制算术编码(Context-Based Adaptive Binary Arithmetic Coding,CABAC)。CAVLC利用上下文信息,自适应地选择不同的码表;CABAC不需要码表,通过自适应的概率估计和更新以及二进制算术编码,更加逼近香农定理,但实现时的计算复杂度较高。关于CAVLC编码的VLSI研究,本文分析了不同架构的优缺点,针对其使用诸多码表特性,分析了CAVLC的编码原理和算法,优化了CAVLC编码架构,设计出一种面积与速度有效折衷的结构。利用基于预处理的查找方法,改进了查找表(Look Up Table, LUT)结构,可以快速得到相应的码字和码长;利用算术计算替代查找表且利用展开技术减小了关键路径,优化了非零系数幅值level编码;利用加法器最高位进行取模运算等方法,优化了码字拼接模块。关于CABAC编码的VLSI研究,本文分析了其编码原理和流程,其编码框架主要由二进制化处理、上下文建模和二进制算术编码三部分组成。二进制化处理是CABAC的预处理过程,是将需要二进制化的语法元素转换成相应的二值字符串(bins)的过程。在此过程中,并且对每个二值字符分配相应的上下文模型索引。二值字符和上下文模型索引一起进入二进制算术编码,二进制算术编码输出编码结果并更新上下文模型。由于二进制化处理与系统其他模块联系密切,交由软件实现。本文主要针对CABAC的核心模块二进制算术编码进行了优化,由于其串行编码特性,传统的串行编码吞吐率太低,尤其是归一化处理需要耗费多个时钟。为此,本文提出了一种四级流水线实现架构,利用前向技术解决了上下文模型更新时的数据相关现象,利用新结构实现了快速归一化处理,利用进位保留加法器(CSA)实现了面积和速度的有效折衷,最终使编码吞吐率达到每个时钟能处理一个二值字符(bin)。最后,对本文提出的架构利用Verilog HDL进行了RTL级设计,并完成了仿真验证及综合。仿真结果和性能分析表明,本文提出的架构是有效的,能满足高清视频1920×1088-30fps实时编码对熵编码的要求,具有广泛的应用价值。