專利名稱：基于上下文自適應二進制算術解碼器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種視頻解碼器，特別涉及一種基于上下文自適應二進制算術解碼器。
背景技術：
隨著數(shù)字電視技術的發(fā)展，對于視音頻編解碼的技術層出不窮，國際上也出現(xiàn)了MPEG-x、H.26x兩大系列的視頻編碼國際標準，這些視頻編碼標準追求的共同目標是在盡可能低的碼率下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。為了改善編碼效率，人們在眾多環(huán)節(jié)上作了嘗試，比如改善預測方法、改善運動補償、改善塊變化等。除了上述方法，改善編碼效率還有很重要的一種方法改善熵編碼方法。傳統(tǒng)的熵編碼方法主要采用霍夫曼理論，但是它存在兩個主要的缺點一是對于非整數(shù)的熵值只能用整數(shù)位比特來表示；二是編碼所使用的概率模型是固定的，而實際碼流的概率統(tǒng)計特性總是非平穩(wěn)的。因此，在霍夫曼理論基礎上作了改進，出現(xiàn)了上下文自適應二進制算術編碼(CABAC，Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding)。上下文自適應二進制算術編碼根據(jù)上下文內(nèi)容選擇語法元素的概率模型，根據(jù)統(tǒng)計結果進行自適應概率估算。上下文自適應二進制算術編碼很好地解決了傳統(tǒng)霍夫曼理論編碼的問題，首先，上下文自適應二進制算術編碼采用算術編碼，用非整數(shù)位比特來表示熵值非整數(shù)的數(shù)據(jù)；其次，上下文自適應二進制算術編碼所使用的概率模型總是根據(jù)碼流的當前特性進行更新，所以能更準確地反映當前碼流的概率統(tǒng)計特性。據(jù)統(tǒng)計，基于上下文二進制編碼(CABAC)比通用變長碼(UVLC)編碼效率提高20％～40％。
基于上下文自適應二進制算術解碼器是用于對采用基于上下文自適應二進制算術編碼的視頻壓縮碼流進行熵解碼?，F(xiàn)在業(yè)界比較普遍的是在DSP平臺上采用軟件方式來實現(xiàn)基于上下文自適應二進制算術解碼器。它的特點是開發(fā)周期較短，實現(xiàn)方式比較靈活。但是，整個解碼過程涉及到針對大量的上下文(在主層級(main profile)高達701個)進行操作，包括上下文初始化、上下文選擇以及上下文更新等，導致了解碼過程運算復雜，運算量龐大。所以采用軟件方式實現(xiàn)解碼通常會產(chǎn)生解碼速度低下的問題。因此，在對解碼速度要求比較高的場合，比如要求實時解碼的系統(tǒng)、比如標清、高清視頻碼流，采用ASIC設計應該是比較合理的選擇。采用ASIC設計能夠?qū)崿F(xiàn)較高的解碼速度，可以滿足對解碼速度較高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種基于上下文自適應二進制算術解碼器，解決視頻解碼中由于熵解碼模式運算復雜、運算量過大而引起的熵解碼速度低下的問題，提高視頻解碼速度。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的一種基于上下文自適應二進制算術解碼器，所述解碼器包括算術解碼器控制裝置、數(shù)據(jù)接口裝置、符號下標及上下文下標增量計算裝置、上下文管理裝置、解碼引擎裝置和符號檢測裝置，其中，算術解碼器控制接口裝置接收外部命令和相鄰塊信息，將語法元素第一個符號的上下文下標增量送至符號下標及上下文下標增量計算裝置，并在解碼完成后返回解得的語法元素值；數(shù)據(jù)接口裝置緩存當前待解碼流并在解完每個語法元素后都請求FIFO把已用碼流移走；符號下標及上下文下標增量計算裝置確定符號下標，以及確定所述符號下標對應的上下文下標增量；上下文管理裝置根據(jù)所述上下文下標增量取出相對應的當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值送至解碼引擎裝置，并將更新好的當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值存入其原來的位置；解碼引擎裝置在開始解碼一個片或者解碼出一個原始數(shù)據(jù)的宏塊類型時進行解碼引擎寄存器初始化，在解碼過程中根據(jù)當前解碼模式以及當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值解碼出一個符號值，并進行解碼引擎寄存器更新和初始化，輸出所使用碼流的比特數(shù)；符號檢測裝置對解碼引擎解出來的一系列符號值進行檢測，同時發(fā)出語法元素解碼結束命令或解后綴命令。
所述外部命令是外部解析器模塊的命令。
算術解碼器控制裝置包括控制殘差塊解碼的殘差控制裝置和計算語法元素第一個符號的上下文下標增量的首符號上下文下標增量計算裝置。
上下文管理裝置包括存儲初始化參數(shù)的值的初始化ROM；生成RAM的地址的地址生成器；根據(jù)片亮度量化因子和所述初始化參數(shù)的值得到上下文模型的當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值的初始化計算模塊；存儲當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值的狀態(tài)概率指針RAM。
地址生成器根據(jù)上下文下標增量、殘差塊類型和語法元素類型計算出RAM的地址。所述地址生成器在上下文初始化階段生成RAM地址作為高位地址，初始化因子的值為低位地址，共同組成ROM的地址。所述RAM地址和上下文模型下標號對應。
解碼引擎裝置包括普通解碼模式，等概率解碼模式和終止解碼模式。
等概率解碼模式直接由算術解碼器控制裝置啟動解碼引擎。
解碼后綴時由符號檢測裝置發(fā)命令通知算術解碼器控制裝置并請求啟動新的解碼過程。
本發(fā)明基于上下文自適應二進制算術解碼器通過算術解碼器控制裝置來與外部模塊進行命令，相鄰信息和語法元素值的交換，簡化了整個解碼器與外部的接口；通過數(shù)據(jù)接口裝置來與外部進行碼流交互，減少了解碼器與外部碼流交互的次數(shù)；通過符號下標及上下文下標增量計算裝置來快速計算符號下標和上下文下標增量；上下文管理裝置使用了一個16X2048的片內(nèi)只讀存儲器(ROM)來存儲初始化上下文所需要的兩個初始化參數(shù)，使用一個7X512的片內(nèi)隨機存儲器(RAM)來存儲當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值，并且設計了一個可流水線操作的初始化計算模塊，從而實現(xiàn)了對上下文初始化的流水線操作，提高了運算速度，實現(xiàn)了快速的上下文選擇和更新操作；同時，解碼引擎裝置可進行三種解碼模式的解碼，既節(jié)省了硬件開銷，也加快了解碼速度；符號檢測裝置可以對所有語法元素類型的符號值進行檢測，使得本發(fā)明能夠加快解碼速度，滿足對解碼速度較高的要求。


圖1是基于上下文自適應二進制算術解碼器的結構框圖；圖2是上下文管理裝置的結構框圖。
具體實施例方式
請參閱圖1，基于上下文自適應二進制算術解碼器包括算術解碼器控制裝置、數(shù)據(jù)接口裝置、符號下標及上下文下標增量計算裝置、上下文管理裝置、解碼引擎裝置和符號檢測裝置。其中，算術解碼器控制接口裝置用于接收外部命令和相鄰塊信息，并在解碼完成后返回解得的語法元素值；數(shù)據(jù)接口裝置用于緩存當前待解碼流并在解完每個語法元素后都請求FIFO把已用碼流移走；符號下標及上下文下標增量計算裝置用于確定符號下標，以及確定所述符號下標對應的上下文下標增量；上下文管理裝置根據(jù)所述上下文下標增量取出相對應的當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值送至所述解碼引擎，將更新好的當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值存入其原來的位置；解碼引擎裝置用于在開始解碼一個片或者解碼出一個原始數(shù)據(jù)的宏塊類型時進行解碼引擎寄存器初始化，在解碼過程中根據(jù)當前解碼模式以及當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值解碼出一個符號值，然后進行解碼引擎寄存器更新和初始化，并且輸出所使用碼流的比特數(shù)；符號檢測裝置用于對解碼引擎解出來的一系列符號值進行檢測，同時發(fā)出語法元素解碼結束命令或解后綴命令。
基于上下文自適應二進制算術解碼器的工作流程如下算術解碼器控制裝置接收到解析器模塊的命令后，待FIFO數(shù)據(jù)和相鄰信息控制模塊數(shù)據(jù)準備好以后，就把計算好的語法元素第一個符號的上下文下標增量傳到符號下標及上下文下標增量計算裝置并啟動解碼。符號下標及上下文下標增量計算裝置負責確定當前的符號下標以及其相應的上下文下標增量，準備好以后啟動上下文管理裝置。上下文管理裝置根據(jù)上下文下標增量來取出相應的當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值送到解碼引擎并且將更新好的當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值存入相應的位置。解碼引擎將解得的符號值送到符號檢測裝置。符號檢測裝置用來檢測一系列的符號值，同時發(fā)出語法元素解碼結束命令或解后綴命令。符號檢測裝置對解碼引擎解出來的一系列符號值進行檢測，當解出一個語法元素后就返回語法元素值并請求結束解碼過程。解碼過程結束后數(shù)據(jù)接口裝置請求FIFO把已用碼流移走。其中，對于等概率解碼模式直接由算術解碼器控制裝置發(fā)命令啟動解碼引擎。對于需解碼后綴則由符號檢測裝置發(fā)命令通知算術解碼器控制裝置并請求啟動新的解碼過程。殘差控制裝置用來控制一個殘差塊的解碼。每解完一個殘差塊后請求算術解碼器控制裝置將所有解出的數(shù)據(jù)返回到解析器模塊。
其中，算術解碼器控制裝置和數(shù)據(jù)接口裝置是外部接口裝置。算術解碼器控制裝置負責接受外部解析器模塊的命令和相鄰信息控制模塊的相鄰塊信息，啟動解碼，解碼完成后把解得語法元素值返回。算術解碼器控制裝置的主要操作包括解析外部解碼命令、計算非殘差語法元素第一個符號的上下文下標增量、計算殘差塊語法元素所有符號的上下文下標、啟動語法元素的解碼過程、送出解碼出的語法元素的值。數(shù)據(jù)接口裝置負責和FIFO接口，用來緩存當前待解碼流。解完每個語法元素后，數(shù)據(jù)接口裝置都請求FIFO把已用碼流移走。
上下文管理裝置主要實現(xiàn)在每個片開始解碼前初始化701個上下文模型，解碼的時候根據(jù)殘差塊類型，語法元素類型以及符號下標及上下文下標增量計算裝置送來的上下文下標增量來為每一個符號選取相對應的上下文模型，并且在每個符號解碼完成后對其對應的上下文模型進行更新。
上下文管理裝置的示意圖如圖2所示。上下文管理裝置包括存儲有兩個初始化參數(shù)的值的初始化ROM、生成RAM的地址的地址生成器、根據(jù)片亮度量化因子和所述的兩個初始化參數(shù)的值得到上下文模型的當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值的初始化計算模塊以及存儲當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值的狀態(tài)概率指針RAM。
其中，初始化ROM為寬度16位，深度2048的片內(nèi)只讀存儲器，每個存儲器單元16比特，地址長度為11比特。這個ROM用于存儲兩個初始化參數(shù)(都是8位的補碼)。將第二個初始化參數(shù)置于高8位，第一個初始化參數(shù)置于低8位，形成一個有效數(shù)據(jù)單元。
對算法的上下文模型表進行改進，使得每個上下文模型索引號都對應4個單元約定初始化因子為3時表示幀內(nèi)預測片；對于只包括幀內(nèi)預測片的上下文模型，在有效數(shù)據(jù)單元前添加3個空單元；對于只包括幀間預測片的上下文模型，在有效數(shù)據(jù)單元之后添加1個空單元；對于幀內(nèi)預測片和幀間預測片公用的上下文模型，添加和有效數(shù)據(jù)單元內(nèi)容重復的3個單元。
注意舍去切換幀內(nèi)預測片的上下文模型(針對切換幀內(nèi)預測片)。
在初始化時根據(jù)初始化因子作為尋址的低2位，取出4個單元中的一個。
其中狀態(tài)概率指針RAM為寬度7位，深度512的片內(nèi)存儲器，每個存儲器單元7比特，地址長度為9比特。這個RAM用于存儲當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值。RAM地址和算法中的上下文模型索引號對應。
地址生成器用來在上下文初始化階段生成RAM的地址，并且這個地址為高9位，初始化因子的值為低2位直接組成ROM的地址。解碼時用來在解碼過程中生成RAM的地址以選取適當?shù)纳舷挛哪Ｐ陀糜诮獯a一個符號并且在解碼完對該上下文模型進行更新。根據(jù)上下文下標增量、殘差塊類型和語法元素類型計算出上下文模型的索引號，即RAM的地址。
初始化計算模塊用來計算一個上下文模型的兩個參數(shù)當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值。根據(jù)片亮度量化因子和兩個初始化參數(shù)的值，計算上下文模型的兩個參數(shù)當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值。計算過程需要兩個時鐘周期。由于模塊為流水線設計，無須等待計算完成，可以在每個時鐘周期連續(xù)地輸入兩個初始化參數(shù)。其算法如下
輸入數(shù)據(jù)片亮度量化因子的長度為6位，首位添零形成7位補碼。兩個初始化參數(shù)長度為16位，表示兩個初始化參數(shù)的補碼形式。使用一個補碼乘法器，被乘數(shù)第一個初始化參數(shù)的寬度為8位，乘數(shù)片亮度量化因子的寬度為7位，結果為15位，皆為補碼。對乘法的結果作向右移4位的操作，高位用符號位補齊。加法計算中，第二個初始化參數(shù)被擴充到14位后再計算，計算結果為補碼，不會發(fā)生溢出情況。若加法結果為0，或者其符號位為1(負數(shù))，則取1；否則，若加法結果大于126，則取126。其它情況取它本身。這個函數(shù)的結果前上下文狀態(tài)概率為7位原碼。決定當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值時，若前上下文狀態(tài)概率最高位為0(小于等于63)，則當前狀態(tài)概率下標等于前上下文狀態(tài)概率低6位取反，當前大概率符號值為0；反之，當前狀態(tài)概率下標等于前上下文狀態(tài)概率低6位，當前大概率符號值為1。
解碼引擎裝置主要執(zhí)行在解碼一個片的開始或者解到原始數(shù)據(jù)宏塊后進行解碼引擎寄存器初始化，在解碼過程中根據(jù)分支解碼標記信息和上下文模型信息(當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值)來從普通解碼模式，等概率解碼模式和終止解碼模式這三種解碼模式中選擇其中一種對每個符號值進行解碼，解碼完成后根據(jù)解碼結果來決定是否對解碼引擎寄存器進行更新，重歸一化或者重新初始化，并且輸出本次解碼所使用的碼流比特數(shù)。
本發(fā)明基于上下文自適應二進制算術解碼器通過算術解碼器控制裝置來與外部模塊進行命令，相鄰信息和語法元素值的交換，簡化了整個解碼器與外部的接口；通過數(shù)據(jù)接口裝置來與外部進行碼流交互，減少了解碼器與外部碼流交互的次數(shù)；通過符號下標及上下文下標增量計算裝置來快速計算符號下標和上下文下標增量；上下文管理裝置使用了一個16X2048的片內(nèi)只讀存儲器(ROM)來存儲初始化上下文所需要的兩個初始化參數(shù)，使用一個7X512的片內(nèi)隨機存儲器(RAM)來存儲當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值，并且設計了一個可流水線操作的初始化計算模塊，從而實現(xiàn)了對上下文初始化的流水線操作，提高了運算速度，實現(xiàn)了快速的上下文選擇和更新操作；同時，解碼引擎裝置可進行三種解碼模式的解碼，既節(jié)省了硬件開銷，也加快了解碼速度；符號檢測裝置可以對所有語法元素類型的符號值進行檢測，使得本發(fā)明能夠加快解碼速度，滿足對解碼速度較高的要求。
權利要求
1.一種基于上下文自適應二進制算術解碼器，其特征在于所述解碼器包括算術解碼器控制裝置、數(shù)據(jù)接口裝置、符號下標及上下文下標增量計算裝置、上下文管理裝置、解碼引擎裝置和符號檢測裝置，其中，算術解碼器控制接口裝置接收外部命令和相鄰塊信息，將語法元素第一個符號的上下文下標增量送至符號下標及上下文下標增量計算裝置，并在解碼完成后返回解得的語法元素值；數(shù)據(jù)接口裝置緩存當前待解碼流并在解完每個語法元素后都請求FIFO把已用碼流移走；符號下標及上下文下標增量計算裝置確定符號下標，以及確定所述符號下標對應的上下文下標增量；上下文管理裝置根據(jù)所述上下文下標增量取出相對應的當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值送至解碼引擎裝置，并將更新好的當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值存入其原來的位置；解碼引擎裝置在開始解碼一個片或者解碼出一個原始數(shù)據(jù)的宏塊類型時進行解碼引擎寄存器初始化，在解碼過程中根據(jù)當前解碼模式以及當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值解碼出一個符號值，并進行解碼引擎寄存器更新和初始化，輸出所使用碼流的比特數(shù)；符號檢測裝置對解碼引擎解出來的一系列符號值進行檢測，同時發(fā)出語法元素解碼結束命令或解后綴命令。
2.如權利要求1所述的解碼器，其特征在于所述外部命令是外部解析器模塊的命令。
3.如權利要求1所述的解碼器，其特征在于算術解碼器控制裝置包括控制殘差塊解碼的殘差控制裝置和計算語法元素第一個符號的上下文下標增量的首符號上下文下標增量計算裝置。
4.如權利要求1所述的解碼器，其特征在于上下文管理裝置包括存儲初始化參數(shù)的值的初始化ROM；生成RAM的地址的地址生成器；根據(jù)片亮度量化因子和所述初始化參數(shù)的值得到上下文模型的當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值的初始化計算模塊；存儲當前狀態(tài)概率下標和當前大概率符號值的狀態(tài)概率指針RAM。
5.如權利要求4所述的解碼器，其特征在于地址生成器根據(jù)上下文下標增量、殘差塊類型和語法元素類型計算出RAM的地址。
6.如權利要求4所述的解碼器，其特征在于所述地址生成器在上下文初始化階段生成RAM地址作為高位地址，初始化因子的值為低位地址，共同組成ROM的地址。
7.如權利要求5或6所述的解碼器，其特征在于所述RAM地址和上下文模型下標號對應。
8.如權利要求1所述的解碼器，其特征在于解碼引擎裝置包括普通解碼模式，等概率解碼模式和終止解碼模式。
9.如權利要求8所述的解碼器，其特征在于等概率解碼模式直接由算術解碼器控制裝置啟動解碼引擎。
10.如權利要求1所述的解碼器，其特征在于解碼后綴時由符號檢測裝置發(fā)命令通知算術解碼器控制裝置并請求啟動新的解碼過程。
全文摘要
一種基于上下文自適應二進制算術解碼器，所述解碼器包括算術解碼器控制裝置、數(shù)據(jù)接口裝置、符號下標及上下文下標增量計算裝置、上下文管理裝置、解碼引擎裝置和符號檢測裝置，通過算術解碼器控制裝置來與外部模塊進行命令，相鄰信息和語法元素值的交換，簡化了整個解碼器與外部的接口；通過數(shù)據(jù)接口裝置來與外部進行碼流交互，減少了解碼器與外部碼流交互的次數(shù)；通過符號下標及上下文下標增量計算裝置來快速計算符號下標和上下文下標增量；同時，解碼引擎裝置可實現(xiàn)多種模式的解碼，既節(jié)省了硬件開銷，也加快了解碼速度，滿足對解碼速度較高的要求。
文檔編號H04N7/26GK1909660SQ20051002856
公開日2007年2月7日 申請日期2005年8月5日 優(yōu)先權日2005年8月5日
發(fā)明者黃勇泉, 何輝, 馮煒, 萬建軍 申請人:上海富瀚微電子有限公司