0　引言

與H.264/AVC相比，視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.265/HEVC能夠在相同的圖像質(zhì)量下實(shí)現(xiàn)更低的碼率，即更高的壓縮比[1]。基于上下文的二進(jìn)制自適應(yīng)算術(shù)編碼(Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding, CABAC)是H.265/HEVC支持的熵編碼方案。CABAC在熵編碼方案中具有極高的數(shù)據(jù)壓縮率，相對(duì)于另一種熵編碼方案基于上下文的自適應(yīng)可變長(zhǎng)編碼(Context-Adaptive Variable Length Coding, CAVLC)，在同等編碼質(zhì)量下，CABAC可節(jié)約10%~15%的比特率。

在CABAC中，上下文建模的保持與更新需要大量的計(jì)算和內(nèi)部存儲(chǔ)器件的訪問(wèn)。在解碼過(guò)程中，語(yǔ)法元素需要其前面的語(yǔ)法元素來(lái)確定上下文地址，在每個(gè)binVal被解碼獲得時(shí)，解碼過(guò)程需要檢查流是否被更改或保持在相同的語(yǔ)法元素中。因此，解碼過(guò)程比編碼過(guò)程具有更多的依賴性。同時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)的熵解碼流程中，由于位流指針(binIdx)的存在，導(dǎo)致熵解碼過(guò)程串行程度過(guò)高，占用了較長(zhǎng)的解碼時(shí)間。導(dǎo)致CABAC模塊成為視頻解碼器的吞吐量瓶頸。因此，有必要針對(duì)以上問(wèn)題設(shè)計(jì)一種高并行、高吞吐量的硬件結(jié)構(gòu)。

目前CABAC解碼器的工作可以分為3類，分別是基于流水線的時(shí)域并行性擴(kuò)展、基于單周期的多位解碼、基于預(yù)測(cè)的解碼和基于子區(qū)間重排序的解碼。文獻(xiàn)[2-3]通過(guò)流水線的方式擴(kuò)展時(shí)域并行性，但碼流之間的高數(shù)據(jù)依賴使反饋環(huán)路串行程度過(guò)高，導(dǎo)致在流水線架構(gòu)中過(guò)多的時(shí)鐘冗余。文獻(xiàn)[4-9]通過(guò)增加額外的解碼邏輯來(lái)增加每周期的解碼輸出位，但該種方法實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘速率較低。文獻(xiàn)[8-9]通過(guò)使用基于預(yù)測(cè)解碼的方法節(jié)省了預(yù)存解碼信息的硬件開(kāi)銷，但帶來(lái)了額外的關(guān)鍵路徑延遲，且有較高的預(yù)測(cè)失誤懲罰，導(dǎo)致了較低的吞吐量。文獻(xiàn)[10]提出適用于HEVC的多路并行硬件CABAC解碼器架構(gòu)。該CABAC解碼器采用multi-bin解碼方式，其吞吐量可達(dá)到3 026 Mbins/s。這種結(jié)構(gòu)改進(jìn)算術(shù)編碼（子區(qū)間重排序），縮短了關(guān)鍵路徑，但這種架構(gòu)前端的碼流控制容易出現(xiàn)性能瓶頸。文獻(xiàn)[11]在算術(shù)編碼子區(qū)間重排序的基礎(chǔ)上，采用5級(jí)流水線的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步使用鎖存器來(lái)減少熵解碼的面積開(kāi)銷，布局布線后可實(shí)現(xiàn)峰值為1 696 Mbins/s的解碼性能。但使用子區(qū)間排序后，編碼器和解碼器必須同時(shí)使用才能保證編解碼一致性，實(shí)用性不高。

針對(duì)上述方法存在的不足，本文根據(jù)CABAC解碼算法特點(diǎn)和FPGA硬件高并行的特性，提出了一種多路并行的CABAC解碼器。通過(guò)將語(yǔ)法元素分組并行處理，減少了內(nèi)部寄存器使用與訪問(wèn)次數(shù)，優(yōu)化了關(guān)鍵路徑，增加了CABAC解碼器的吞吐量，并且在編碼端不需做任何特殊配置，所提出的結(jié)構(gòu)實(shí)用性很高。

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作者信息：

王世豪，周志剛，郭旭，殷先英，薛曉娜，趙靖宇

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）