1CABAC概述
1．1二进制化
与H．264类似，HEVC标准采用了相似的几种二值化编码方式［1－2］，主要有截断一元编码(TU，Truncateduna-ry)，截断Ｒice编码(TＲ，TruncatedＲice)，K阶指数哥伦布编码(EGk，k－thorderExp－Golomb)以及定长编码(FL，fixed－length)，其中TＲ仅出现在残差系数的编码中，它需要带有cＲiceParam参数的计算，把高位的cＲiceParam位通过TU模式进行编码，这一点与H．264标准中有所不同。二进制化的输入是视频预测模式信息和变换残差数据信息，输出是对应的二进制字符。该设计中，还要输出每个bin字符的编码模式codingmode以及上下文索引在存储器SＲAM中的地址信息，如图2中所示，以ctx_pair的形式输出给下一模块。其中ctx_idx由9位字符组成，前3位表示概率模型所在的SＲAM索引，后6位表示其在SＲAM中的地址索引。
1．2上下文建模
实际计算过程中，输入二进制字符的概率分布是动态变化的，所以需要维护一个概率表格去记录每个字符概率变化的信息，上下文建模过程就是根据输入的二进制字符bin和相应的编码模式提取存放在SＲAM中的概率状态值估计当前字符的概率，并在字符计算完成后对其状态值进行刷新。CABAC中主要有3种编码模式:regularmode，bypassmode以及terminalmode。其中bypassmode和terminalmode不需要维护概率表格，只有regularmode需要为每一位字符bin建立和更新概率码表。HEVC标准中为了提升数据的编码速度，采用了更多的bypassmode，所以该设计还添加了一种multi－bypass的编码模式，将多个字符bin一次性处理，大大提高了编码效率。该设计采用5个双端口的SＲAM来维护概率表，为了实现4bin/cycle的算术编码结构，在上下文建模阶段要提前预取出4个字符bin的概率状态值。建模过程的输入是二值化过程输出的ctx_pair，输出是如图2中所示的coding_pair，由2位coding_mode，1位字符bin，1位MPS(mostprobabilitysymbol)标志位和6位概率状态值组成。
1．3算术编码
算术编码模块采用区间递进的原理根据每个字符bin的概率对字符流进行编码，不断更新计算区间的下限Low值和宽度Ｒange值。如图3所示，该系统中采用每个cycle处理4个bin的算术编码结构［5－8］，可以大大提高系统的数据处理速度，由于CABAC算法本身的数据依赖性，所以需要对该模块中的ＲangeLPS进行提前预取，一次将每个bin的4个ＲangeLPS都提取出来，然后再根据字符bin相应的Ｒange值得到正确的ＲangeLPS，结合每个字符bin的移位次数shift进行区间宽度Ｒange和下限Low值的计算。因为Low值在计算到一定程度时，它的高位数字不再变化，就形成了如图3中的determinedbits，这时就可以把determinedbits进行打包，最后每8bit位为1byte进行输出，形成最后的二进制视频比特流。
2设计中采用的编码结构
图4所示为该设计模块整体框图，当上一流水级模块编码完成后把相应LCU(LargestCodingUnit)的预测信息和残差数据存放到SＲAM中，并向CABAC模块发送start使能信号，这时CABAC模块开始工作。由于HEVC标准采用树状图像分割方式编码，以CU(CodingUnit)为单位进行编码，所以在进入算术编码步骤之前，首先要从LCU数据存储器中读取一个CU的数据信息。在进行二进制化过程中，需要为每个字符bin计算相应的概率索引，因为CABAC本身的上下文依赖性，需要用到当前编码单元上面和左面编码单元的参考数据信息，所以每个CU编码完后都要将相应参考数据保存到SＲAM中，以便后续编码单元计算使用。接下来是CABAC编码步骤流程，箭头2所标注的虚线框内为CABAC的整个编码流图，箭头1所标注的虚线框内为CABAC算术编码的计算过程，因为该计算过程和H．264中没有太大的变化，所以在2个标准的设计中可以实现模块复用，但是要把5个概率模型表格中的状态数据进行更换。另外，因为在二值化过程中一次最多可以输出16组ctx_pair数据，而上下文建模模块一次最多输入4组数据，所以该设计采用了一个16进4出的PISO(ParallelInSerialOut)缓冲模块，对输出数据进行缓冲。最后，当每个LCU内所有编码单元CU都编码完成后，会给顶层控制模块cabac_done信号，完成流水操作。
2．1基于CU深度的遍历跳转
HEVC标准采用四叉树状分割结构，对一个LCU编码时需要遍历其中所有编码单元，这样导致状态的控制跳转比H．264标准中要复杂很多。该设计中采用一种基于CU深度的遍历跳转机制，结合CU的索引cu_idx来控制编码单元CU的跳转，如图5所示，CU编码单元的跳转将由CU深度depth和split分割信息以及CU的索引值来决定CU是否返回上一深度还是进入下一深度，亦或在当前深度进行跳转，如此在一个LCU中逐步遍历完所有编码单元。
2．2基于Ping－Pong结构的残差数据编
HEVC标准中以TU(TransformUnit)为编码单元对CU中残差数据进行编码，但是在编码时并不是对TU的一行或一列残差数据进行编码，而是以TU中每个4×4块为单元编码语法元素信息，主要语法元素有coded_sub_block_flag，significant_coeff_flag，coeff_abs_level_greater1_flag，coeff_abs_level_greater2_flag，coeff_sign_flag以及co-eff_abs_level_remaining，所以首先要对每个4×4块中残差数据进行扫描，确定相应的语法元素信息然后进行编码。如果采用扫描—编码的串行操作方式势必会影响CABAC的编码速度。为了节省编码周期，该设计采用了扫描/编码同时进行的Ping－Pong结构，在做编码工作的同时也在做下一个4×4块的扫描工作，如图6所示。
2．3基于SＲAM的上下文建模过程
编码过程中对用到的语法元素信息要建立一个动态的概率模型，数据量非常大，如果直接放在寄存器中，固然可以实现方便的读写，但将消耗很大的资源和面积，这在芯片设计中是不可取的，所以该设计将概率模型表放在SＲAM中。为了避免数据访问冲突，1个cycle内处理的4个bin不能同时去访问同一个SＲAM的不同地址，结合cabac语法元素本身上下文的相关性，设计采用了5片SＲAM巧妙地分布语法元素，成功避免了这种冲突问题。另外，有些语法元素需要连续访问同一个概率模型，即同一时刻多个bin访问同一个SＲAM的同一个地址，为了保证每个bin都能够读取到正确更新后的概率，设计中为每个bin加入了相应的访问仲裁结构，当出现这种情况时前一个字符更新后的概率不需写入SＲAM直接送至下一个字符计算过程，直至相同概率模型的最后一个字符计算完成后再使能相应概率模型的写操作。
2．44级流水的多模式BAE编码过程
为了满足编码器吞吐率的要求，并为后续设计向4K×2K视频实时编码优化做铺垫，该设计采用了如图3所示的multi－bin的四级流水编码结构，通过牺牲一定的硬件资源，实现每个cycle可同时编码4个bin。由于数据的依赖性，BAE成为整个编码器最大的瓶颈，使得在multi－bin结构中，设计的工作频率受到了一定的限制。另外，与H．264相比，HEVC中采用了更多的连续bypass模式的编码，bypass模式编码不需要进行概率数据的更新替换，没有数据依赖要求，所以为了提高设计的吞吐率，设计中采用了regular、bypass、multi－bypass、terminal多模式的编码计算。
3结果和数据
表1为该设计在SMIC0．13μm工艺下综合出来的结果及与之前工作的比较。文献［3］的设计主要针对re-sidual残差数据语法元素的contextselection采用了一些技巧性的计算;文献［4］提出了高性能的的算术编码BAE结构，该论文提出的设计在此基础上加入了multi－bypass的编码模式，进一步提高了设计的吞吐率，另外该设计中modeling建模模块采用简单的仲裁结构，节省硬件资源;文献［5］的设计平均每个cycle只能处理0．67个bin，在超高清视频编码器优化时，吞吐率受到一定限制。该设计中，编码1个LCU平均需要大约8100个cycle，当系统时钟频率设置在200MHz时，完全可以实现1080p视频图像的实时编码。
4结束语
论文提出了一种multi－bin的全硬件CABAC编码设计，根据CU编码单元的深度和索引遍历编码一个LCU中所有的CU，并对TU编码时采用扫描/编码同步的ping－pong结构，大大缩短了设计的处理周期，另外通过采用5个带有仲裁功能的双端口SＲAM进行上下文建模，可以实现每个字符bin准确地访问概率模型。最后经过验证，该设计可以实现1080p高清视频的实时编码。
作者：郭勇 王桂海 范益波 李洪强 陈新华 单位：山东科技大学信息科学与工程学院 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室
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