基于高級(jí)綜合的CABAC的VLSI設(shè)計(jì).pdf

1、隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)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(shí)時(shí)對(duì)這類視頻進(jìn)行壓縮并傳輸?shù)男枨笠苍絹?lái)越多。2013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(shù)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(cè)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(duì)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(lái)新推出的高級(jí)綜合工具(High-Level-Synthesis，HLS)，它幫助工程師隱藏了寄存器轉(zhuǎn)換級(jí)(Register Transfer Leve

3、r，RTL)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)證過(guò)程也較為簡(jiǎn)單，能夠大幅地減少硬件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。
　　為了解決 CABAC吞吐率瓶頸的問(wèn)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(jì)實(shí)現(xiàn)。本文的主要工作有：
　　1.提出了一種多級(jí)流水的CABAC實(shí)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(gè)子模塊，通過(guò)分支預(yù)測(cè)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(gè)模塊間建立起多級(jí)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(shí)時(shí)視頻編碼的 CABAC實(shí)現(xiàn)。針對(duì)提出的CABAC的硬件架構(gòu)，利用HLS工具分別對(duì)CABAC的常規(guī)編碼模式和旁路編碼模式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和相應(yīng)優(yōu)化；通過(guò)partition約束將數(shù)組映射為寄存器以提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)速

5、度，通過(guò)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(shí)延；通過(guò)pipeline約束在多個(gè)模塊間建立流水線以最終實(shí)現(xiàn)一種多級(jí)流水的可實(shí)時(shí)編碼的CABAC的硬件架構(gòu)；最后將所設(shè)計(jì)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(duì)HEVC中CABAC的硬件實(shí)現(xiàn)，提出了一種多級(jí)流水的硬件架構(gòu)，并通過(guò)HLS工具實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)壓縮的需求。本