[發(fā)明專利]一種算術(shù)編碼器及編碼方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310163055.X
• 申請(qǐng)日: 2013-05-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103227924A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-07-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 解曉東;洪浩;李源;賈惠柱;高文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): H04N7/26
• 分類號(hào): H04N7/26
• 代理公司: 北京市商泰律師事務(wù)所 11255
• 代理人: 毛燕生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)字視頻編解碼技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種AVS高級(jí)熵編碼器及編碼方法。

背景技術(shù)

視頻編碼技術(shù)與視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)是包括數(shù)字電視、網(wǎng)絡(luò)視頻、手機(jī)電視、MP3等音視頻產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。目前音視頻產(chǎn)業(yè)可以選擇的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)有四個(gè)：MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4AVC（簡(jiǎn)稱AVC，也稱JVT、H.264）、AVS，其中AVS（Audio?Video?coding?Standard，音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)）是《信息技術(shù)先進(jìn)音視頻編碼》系列標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)稱，是我國(guó)具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第二代信源編碼標(biāo)準(zhǔn)，也是數(shù)字音視頻產(chǎn)業(yè)的共性基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。這些信源編碼標(biāo)準(zhǔn)普遍采用一種混合編碼方法以去除龐大的信源數(shù)據(jù)間的冗余信息，如:空間冗余，時(shí)間冗余，信息熵冗余。

熵編碼是視頻編碼系統(tǒng)必不可少的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它負(fù)責(zé)利用信息熵原理去除信息熵冗余，已達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。其中，MPEG-2采用霍夫曼編碼(Huffman?Code)，H.264和AVS采用基于上下文自適應(yīng)變長(zhǎng)編碼(CAVLC)和基于上下文自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)。CABAC是一種新型的高效熵編碼方法，它的設(shè)計(jì)基于二進(jìn)制化、上下文建模、二進(jìn)制算術(shù)編碼等3個(gè)步驟。CABAC以片為編碼周期，將一整片的語(yǔ)法元素二進(jìn)制化得到的bin進(jìn)行區(qū)間迭代劃分，從而得到一個(gè)子區(qū)間，然后在這個(gè)子區(qū)間中任取一個(gè)值代表該片語(yǔ)法元素，所以，從平均意義上講，單獨(dú)一個(gè)bin值編碼后得到的bit數(shù)可能為分?jǐn)?shù)，克服了CAVLC編碼必須為單個(gè)符號(hào)分配整數(shù)碼長(zhǎng)的碼字的缺點(diǎn)，更容易逼近極限熵，獲得更高的編碼效率，因此，AVS標(biāo)準(zhǔn)將采用CABAC進(jìn)行編碼的編碼器稱為高級(jí)熵編碼器。但是，CABAC的計(jì)算復(fù)雜性明顯高于CAVLC。

為了能實(shí)時(shí)的編碼高清視頻，我們需要增加編碼器的吞吐率，同時(shí)必須兼顧系統(tǒng)延遲，目前的算術(shù)編碼器，大多關(guān)注于吞吐率，對(duì)系統(tǒng)延遲關(guān)注得較少。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決以上問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種包括：front-buffer設(shè)計(jì)，算法結(jié)構(gòu)聯(lián)合優(yōu)化、muti-bin處理技術(shù)以及混合上下文存儲(chǔ)機(jī)制的編碼器及編碼方法。

在算術(shù)編碼器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于二進(jìn)制轉(zhuǎn)換模塊（binarizer）可以通過(guò)同時(shí)處理多個(gè)語(yǔ)法元素產(chǎn)生大量的二進(jìn)制序列（bin），因而，二進(jìn)制算術(shù)編碼模塊（BAC）的吞吐率成為了設(shè)計(jì)的瓶頸。為增加吞吐率，減小延遲，我們采用宏塊級(jí)流水的方案，但是，由于一個(gè)宏塊經(jīng)過(guò)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的二進(jìn)制序列（bin）數(shù)會(huì)在很大的一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，而二進(jìn)制算術(shù)編碼模塊（BAC）在單位時(shí)間內(nèi)處理的二進(jìn)制序列（bin）數(shù)有限，于是我們?cè)诙M(jìn)制轉(zhuǎn)換模塊（binarizer）和二進(jìn)制算術(shù)編碼模塊（BAC）之間加入了一個(gè)buffer進(jìn)行緩沖。當(dāng)然，buffer越大，二進(jìn)制算術(shù)編碼模塊（BAC）的輸入越平滑，設(shè)計(jì)起來(lái)更容易，不過(guò)這樣帶來(lái)的負(fù)面影響是系統(tǒng)的延遲越大，同時(shí)芯片面積也變大了。于是，我們需要做一個(gè)折中，不難證明，在圖3中，如果對(duì)于任意的起始時(shí)間t，在一個(gè)固定的時(shí)間段T₀內(nèi)，存在一個(gè)輸入buffer的最大總量Q₀，那么我們只需將buffer的大小設(shè)置為Q₀，并且將buffer的輸出設(shè)為即可保證buffer永遠(yuǎn)不會(huì)上溢。

本發(fā)明構(gòu)造的二進(jìn)制算術(shù)編碼模塊（BAC）的采用固定2bins/cycle吞吐率的基本結(jié)構(gòu)。二進(jìn)制算術(shù)編碼模塊（BAC）的關(guān)鍵路徑是迭代過(guò)程中LPS中l(wèi)ow的計(jì)算，因而該設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于連續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)LPS如何在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)處理完成。通過(guò)觀察我們發(fā)現(xiàn)，range的迭代計(jì)算只與自身有關(guān)，并且對(duì)它的操作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)low的操作時(shí)間，所以，如圖5所示，我們可以在第一次迭代計(jì)算完range后，提前完成low的一些計(jì)算步驟，這就可以減少第二次迭代計(jì)算時(shí)low的操作時(shí)間。此外，在對(duì)數(shù)域，range由整數(shù)部分和小數(shù)部分來(lái)表示，當(dāng)LPS出現(xiàn)時(shí)，我們對(duì)range的整數(shù)部分進(jìn)行重整化操作，這可以簡(jiǎn)化第二次迭代計(jì)算中l(wèi)ow的計(jì)算。通過(guò)對(duì)這兩個(gè)特征的有效利用，我們得到了一個(gè)固定2bins/cycle吞吐率，系統(tǒng)延遲較1bin/cycle的編碼器少33%的基本框架。