H.264中CABAC编码器的VLSI结构设计

论文摘要

信息技术的迅猛发展,将人类带入了一个崭新的信息化社会。随着视频压缩编码技术的不断发展,特别是H.264标准作为新一代视频编码标准的推出,为视频应用开辟了广阔的空间。与此同时,计算机与集成电路技术的快速发展,使得硬件平台的计算和处理速度不断的提高,为复杂的视频编码算法的实时应用奠定了基础。熵编码是H.264标准中的关键技术,它包括基于上下文的自适应可变长编码(CAVLC)和基于上下文的自适应二进制算术编码(CABAC)两种熵编码方式。本文主要研究H.264主档次中的CABAC熵编码。由于CABAC每编码一个二进制符号需要进行大量的计算,包括二进制化、概率模型选择、二进制算术编码以及更新和维护一个庞大的概率模型,这使得采用软件实现CABAC算法难以满足高清视频编码的实时性要求。于是CABAC的硬件实现变得非常重要。但是由于CABAC算法的高度串行化以及编码数据之间复杂的相关性,使得在硬件结构中并行处理变得非常困难。为此,本文在对CABAC算法进行细致的研究和分析的基础上,提出了一个高效的CABAC编码器硬件结构。本文首先简要介绍了H.264视频编解码框架以及关键技术,对H.264中的CABAC算法进行了细致的研究和分析,然后从系统架构的角度提出了一个高效的CABAC编码器硬件结构,接着对CABAC编码器中编码序列控制器模块、宏块上下文管理模块、二进制化与模型选择模块以及二进制算术编码模块这四个最主要的功能模块的硬件结构设计进行了详细的介绍。最后,介绍了CABAC编码器的设计验证方法,并对仿真、综合结果进行了分析,实验结果表明本文提出的CABAC编码器硬件结构可以满足1920×1080@30f高清视频实时编码的需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.3 本文研究内容及意义
• 1.4 本文章节安排
• 第二章 CABAC 熵编码算法研究
• 2.1 H.264 视频编码标准
• 2.1.1 H.264 编解码框架
• 2.1.2 H.264 中的关键技术
• 2.2 H.264 中的熵编码
• 2.3 算术编码的基本原理
• 2.4 CABAC 算法的研究
• 2.4.1 CABAC 算法流程
• 2.4.2 编码器的初始化
• 2.4.3 二进制化方法
• 2.4.4 概率模型选择方法
• 2.4.5 二进制算术编码
• 2.5 本章小结
• 第三章 CABAC 编码器的VLSI 结构设计
• 3.1 CABAC 编码器架构设计
• 3.2 编码序列控制器模块设计
• 3.3 宏块上下文管理模块设计
• 3.4 二进制化与模型选择模块设计
• 3.5 二进制算术编码模块设计
• 3.5.1 概率模型初始化模块设计
• 3.5.2 概率模型存储管理模块设计
• 3.5.3 算术编码逻辑模块
• 3.6 本章小结
• 第四章 系统的验证、综合与性能分析
• 4.1 基于ASIC 和FPGA 的设计验证流程
• 4.2 CABAC 编码器的设计验证方法
• 4.3 仿真、综合与性能分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果