基于高級綜合的CABAC的VLSI設(shè)計.pdf

1、隨著信息化時代的到來，越來越多的高清分辨率甚至超清分辨率的視頻出現(xiàn)在人們的生活中，實時對這類視頻進(jìn)行壓縮并傳輸?shù)男枨笠苍絹碓蕉唷?013年1月JCT-VC發(fā)布了最新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)HEVC。該標(biāo)準(zhǔn)采用了基于四叉樹的編碼組織結(jié)構(gòu)以及更大尺寸的編碼塊，加入了更多的預(yù)測方向，其壓縮效率比現(xiàn)有的H.264標(biāo)準(zhǔn)高了一倍。
　　HEVC標(biāo)準(zhǔn)采用基于上下文模型的二進(jìn)制算術(shù)編碼(Context-based Adaptive Binary Arith

2、metic Coding，CABAC)作為其熵編碼的編碼算法。CABAC在HEVC中的作用非常重要，它根據(jù)精確的上下文概率模型對殘差信息進(jìn)行編碼，達(dá)到了接近香農(nóng)熵的編碼性能。但是由于 CABAC的工作模式為串行逐比特編碼，使得它成為了HEVC視頻壓縮的主要瓶頸。
　　賽靈思公司近年來新推出的高級綜合工具(High-Level-Synthesis，HLS)，它幫助工程師隱藏了寄存器轉(zhuǎn)換級(Register Transfer Leve

3、r，RTL)設(shè)計和現(xiàn)場可編程邏輯器件(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，其驗證過程也較為簡單，能夠大幅地減少硬件系統(tǒng)的開發(fā)周期。
　　為了解決 CABAC吞吐率瓶頸的問題，本文在仔細(xì)研究了 HEVC標(biāo)準(zhǔn)和CABAC算法原理的基礎(chǔ)上，從算法上分析 CABAC的速度瓶頸，并且使用 HLS工具進(jìn)行CABAC的硬件設(shè)計實現(xiàn)。本文的主要工作有：
　　1.提出了一種多級流水的CABAC實現(xiàn)

4、架構(gòu)。將CABAC劃分成比特編碼、碼流打包和碼流輸出三個子模塊，通過分支預(yù)測技術(shù)去除了比特編碼模塊和碼流輸出模塊之間的數(shù)據(jù)相關(guān)性，在三個模塊間建立起多級流水線，提高了 CABAC的數(shù)據(jù)吞吐率。
　　2.利用 HLS工具完成了滿足4K實時視頻編碼的 CABAC實現(xiàn)。針對提出的CABAC的硬件架構(gòu)，利用HLS工具分別對CABAC的常規(guī)編碼模式和旁路編碼模式進(jìn)行實現(xiàn)和相應(yīng)優(yōu)化；通過partition約束將數(shù)組映射為寄存器以提高數(shù)據(jù)訪問速

5、度，通過unroll約束將串行執(zhí)行的循環(huán)體映射為并行執(zhí)行的循環(huán)體以縮短處理時延；通過pipeline約束在多個模塊間建立流水線以最終實現(xiàn)一種多級流水的可實時編碼的CABAC的硬件架構(gòu)；最后將所設(shè)計的CABAC編碼器架構(gòu)利用HLS工具進(jìn)行RTL功能仿真。
　　本文針對HEVC中CABAC的硬件實現(xiàn)，提出了一種多級流水的硬件架構(gòu)，并通過HLS工具實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，該架構(gòu)能夠獲得比較高的數(shù)據(jù)吞吐率，滿足4K分辨率視頻實時壓縮的需求。本