專利名稱：高效并行cabac解碼方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字視頻解碼中自適應算術編解碼方法及裝置，尤其涉 及 一 種視頻解碼芯片中并行的二進制算術解碼方法及其裝置。
技術背景H. 264是國際電聯(lián)(ITU)和國際標準化組織(ISO)聯(lián)合制定的新一代 視頻編碼標準，基于上下文的自適應二進制算術編碼作為一項核心技術被 H. 264所采納，但基于上下文的自適應二進制算術編碼在大幅度提高編碼效 率的同時，也帶來了極高的計算復雜度，算術編碼是基于區(qū)間劃分的 一種高效數(shù)字編碼方式，其廣泛用于數(shù)字圖 像，數(shù)字視頻等數(shù)據(jù)壓縮領域。通常情況下，其數(shù)據(jù)壓縮能力明顯優(yōu)亍哈夫 曼編碼，指數(shù)哥倫布編碼等其他變長編碼方式。基于上下之的自適應二進制 算術編碼是二進制算術編碼的 一 種改進t.其編解碼過程簡述如下視頻編碼碼流中包含各種語法元素，比如宏塊類型，編碼系數(shù)等.編碼 過程中，語法元素的值由一個二進制比特串來表示，該串的每一個比特被送 入二進制算術編碼器進行獨立編碼,，編碼器為不同的語法元素的不同的比特 位置定義了不同的概率模型，該模型是基于上下文的，故也成為上下文模型.. 上下文模型用來預測不同的語法元素中不同位置的比特在不同的上下又條 件下等于1或者0的概率。模型存儲在RAM(隨機訪問存儲器)中.其每一項 由大概率值(即0和1中概率較大的那個值)和大概率值發(fā)生的概車(以后簡 稱概率)構成。算術編碼器記錄一個包含于(0, i)內(nèi)的區(qū)間，每編碼一個二進 制比特，算術編碼器區(qū)間根據(jù)該比特的概率劃分成兩個子區(qū)間，大概率區(qū)間 和小概率區(qū)間。如果待編碼的比特和大概率值相同，則算長編碼器區(qū)間更新 成大概率區(qū)間，否則更新成小概率區(qū)間。每當區(qū)間長度小于0. 5時，輸出一
個編；馬比4爭流。解碼器同樣擁有一個相同上下文模型存儲器，和一個區(qū)間，解碼過程正 好相反，根據(jù)當前比特的概率將區(qū)間劃分成大概率區(qū)間和小概率區(qū)間，并由一個偏移來決定當前的實際解碼比特是0還是1。這個偏移由輸入比特流決定.基于上下文的自適應二進制算術解碼過程中的條件判斷極多，數(shù)據(jù)流及復雜.而且相關性極大。例如，各語法元素碼字長度不定，甚至不是整數(shù)； 不解碼當前輸出比特值，就無法確定當前語法元素解碼是否結東，于是也就 無法確定下一個比特解碼所需要的概率模型，進而無法進行直接意義上的并 行解碼；同時下 一 個比特解碼所需要的實際區(qū)間和實際偏移也必須等待前一 個比特解碼完成才能完全確定.，基于上述原因，除本發(fā)明以外.目前現(xiàn)有的基于上下文的自適應二進制 算術解碼器，最多均只能實時處理標準清晰度的視頻碼流。它們大多都是基 于串行的比特處理，或者并行度不高,發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術中的缺點，提供了一種高效并行二進制算術解碼 方法及其裝置，以達到實時處理高清圖像的要求。本發(fā)明包括變長算術解碼方法，以及與之相對應的并行二進制算術解 碼裝置，和并行概率生成及更新裝置。高速二進制算術解碼的關鍵問題在于 開發(fā)算術解碼過程中的并行性.而二進制算術解碼又具有高度的串行性.如 何在一次算術解碼過程中并行解出多個輸出比特是提高二進制算術編碼的 關鍵。并行計算需要打破算術解碼過程中的那些緊密的數(shù)據(jù)相關,.本發(fā)明的 的大概率值。通過預測，多個輸出比特的解碼過程可以基于預測的結果進行
并行計算，從而計算出在輸出均為大概率值的情況下，各輸出比特的上下文 概率，和算術解碼器狀態(tài)。在最后，通過并行輸出的各比特的比特值是否真 正與大概率值相等來決定原先的大概率預測是否正確。對于錯誤預測的比特 及該比特之后的比特，我們將它們標記為無效輸出比特，不計算進概率模型 的更新和語法元素切換。多個比特的并行解碼需要多個概率和大概率值，需要多個算術解碼器狀 態(tài)(包括范圍和偏移)。多個比特需要的概率和大概率值的確定，不通過這些 比特的實際解碼，而是假設解碼結果都是大概率值的情況進行,，多個算術解 碼器狀態(tài)的更新，也不需要這些比特的實際解碼，而是假設解碼結果都是大 概率值的情況進行。解碼之后，根據(jù)比特輸出結果的有效標記，確定哪些比 特的輸出結果對上下文概率模型進行更新，概率更新的過程也是各有效輸出 比特并行進行。并行解碼需要同時獲得多個概率和大概率值，這對上下文RAM的帶寬提 出了太高要求。為了緩解這種帶寬擁塞，本發(fā)明采用局部上下文寄存器。局 部上下文寄存器將解碼一個圖像塊需要用到的上下文模型暫時寄存在各語 法元素解碼模塊內(nèi)部。從而大大降低了 RAM擁塞，同時提高了系統(tǒng)的解碼速度。本發(fā)明具有明顯的優(yōu)點和積極效果。本發(fā)明針對二進制算術解碼中對計 算速度的要求，提出高效的并行二進制算術解碼的方法和裝置。該裝置能實 現(xiàn)在任何碼流輸入的情況下，保證高清圖像的實時解碼。


圖1是本發(fā)明實施例中系統(tǒng)結構圖；圖2是本發(fā)明實施例中非零系數(shù)位置概率模塊圖；圖3是本發(fā)明實施例中并行算術解碼模塊圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明 圖1描述了一個并行算術解碼系統(tǒng)的整體結構。如圖，系統(tǒng)分為頭信息 解碼和數(shù)據(jù)信息解碼，其中數(shù)據(jù)信息解碼模塊包括圖中所示的四個局部上下 文寄存器?？欤瑤瑑?nèi)預測模式概率?？?，運動向量概率?？?，非零系數(shù)位置 概率?？旌头橇阆禂?shù)概率模快，以及多比特算術解碼模塊。頭信息解碼和數(shù)據(jù)信息解碼共用一套上下文RAM。頭信息解碼模塊采用串行二進制解碼方法 對頭信息進行二進制解碼，數(shù)據(jù)信息解碼采用并行二進制多比特解碼方式進行。在頭信息普通解碼過程中，頭信息解碼模塊從比特緩沖中讀出輸入比特 流，根據(jù)當前頭信息語法元素的類型和上下文情況確定該輸出比特對應的概 率和大概率值，進行二進制解碼，更新算術解碼器的范圍和偏移，并輸出一 個比特。頭信息解碼器同時需要針對解碼比特的結果，對當前語法元素類型 進行更新，以便決定是繼續(xù)頭信息下一個語法元素解碼，還是轉入數(shù)據(jù)解碼 過程。當進入數(shù)據(jù)解碼過程時，頭信息解碼模塊被暫停，多比特算術解碼模塊 啟動。進行一次多比特算術解碼需要一次生成多個概率和大概率值。為了支 持旁路解碼(等概率算術解碼)，多比特算數(shù)解碼接受旁路標記來指示某一解 碼比特是否是等概率解碼。結束標記指示多比特算數(shù)解碼器該比特是當前語 法元素的最后一個輸出比特，以后的輸出比特均為無效。概率.大概率值， 旁路標記和結束標記一起構成局部概率總線，局部概率總線的輸入是各概率 生成模塊(包括幀內(nèi)預測模式，運動向量，非零系數(shù)位置，非零系數(shù)值.)，總 線輸出是多比特解碼模塊。如圖1,上述四個概率生成模塊(幀內(nèi)預測模式，運動向量，非零系數(shù)位 置，非零系數(shù)值)均可生成最多16組局部概率總線值，分別對應了最多16 個的輸出比特。四個概率生成模塊給多比特算數(shù)解碼模塊準備16個輸出比
特需要的16組局部概率總線值。概率生成模塊的輸入有兩組， 一組是連接 于局部上下文寄存器，另一組連接于局部更新總線。局部上下文寄存器中存 放當前編碼圖像塊所需要的概率和大概率值信息，這些信息于多比特算術解 碼模塊啟動時，從上下文RAM中讀取出來(同時也將上一個圖像塊的概率信 息存儲進上下文RAM)。概率生成模塊并行的將局部上下文中存儲的各概率 和大扭克率值信息讀出，并行的計算出16個輸出比特對應的扭無率和大概率值， 并結合當前語法元素和上下文情況，計算出旁路標記和結束標記，形成局部 概率總線值，輸出到多比特算術解碼模塊。
作為并行概率生成模塊的一個例子，圖2顯示了非零系數(shù)位置概率模塊 的具體結構圖"valMPS ( 0~29 )和pStatus ( 0~29 )是局部上下文寄存器的 輸出，包含30個概率模型信息，概率模型信息包括大概率值和概率，分別 用符號valMPS ( 0~29 )和pStatus ( 0~29 )來表示。這30個概率模型對應 著2個語法元素，非零標記和末尾標記，非零標記記錄當前位置的系數(shù)是否 為零，末尾標記記錄當前的非零系數(shù)是否最后一個非零系數(shù)。按照不同的位 置(0 15)每一種語法元素各15個模型。如圖2中每一個比特級，輸入信號是valMPS( 0~29 )和pStauis( 0~29 ), 當前輸出比特的語法元素標記s和當前位置p。輸出是下一個輸出比特的語 法元素標記s和位置p,以及當前輸出比特的大扭無率值va IMPS和概率 pStatus。當前s和當前p作為選通信號，通過上下兩個選通器，從valMPS (0~29 )和pSUUis( 0~29 )中選通出當前大概率值valMPS和概率pStatus。 下一個輸出比特的語法元素標記s,由當前的語法元素標記和當前的大概率 值經(jīng)過與非門計算而得到。下一個輸出比特的位置信息p，由當前的位置信 息和剛計算出的下一個輸出比特的語法元素標記經(jīng)過加法器計算而得到。這 樣相同結構的16組電路，構成非零系數(shù)位置概率模塊的16級，其中每-一級 生成一個輸出比特對應的大概率值和概率，從而并行生成了 16個輸出比特 對應的概率信息。
多比特算術解碼^t塊分為16個算術解碼單元，每一個單元完成一個輸出 比特的解碼。局部概率總線上的16組概率信息，概率pS((卜15)和大概率值 m(0~15),分別連接到16個算術解碼單元進行算術解碼。如圖中所示，每一 個級比特級別的輸入是大概率值m，概率pS,旁路信號byp,結束信號iei-m, 以及當前輸出比特的算術解碼器狀態(tài)(范圍R和偏移Offset) 輸出是下 一個輸出比特的算術解碼器狀態(tài)(范圍R和偏移Offset),大概率標記即s， 輸出有效標記t，以及輸出比特值bin。概率值pS以及算術解碼器狀態(tài)R作 為地址線連接到查找表T，輸出小概率區(qū)間大小LPS。小概率區(qū)間大小LPS 和范圍R分別作為減數(shù)和被減數(shù)的輸入端連接到減法器，減法器輸出結果是 大概率區(qū)間大小。大概率區(qū)間大小直接連接作為下一個輸出比特的范圍.另 外，當前范圍R經(jīng)過移位器輸出當前范圍的一半，再通過選通器，當前范圍 的 一半和大概率區(qū)間大小兩者選出 一個作為下面減法器的減數(shù)輸入，其中選 通器的選擇信號是旁路信號byp。選通器輸出的是偏移的閾值信號，旁路信 號為高時偏移閾值等于當前范圍的 一 半，旁路信號為低是偏移閾值等于大概 率區(qū)間大小。當前偏移量作為被減數(shù)端輸入到下面減法器，減法器的輸出作 為下一比特級的解碼器狀態(tài)輸入(偏移Offset)，減法器輸出的最高位作為 大概率標記信號mps輸出。輸出比特值bin是大概率標記信號mps和大概率 值m經(jīng)過異或門輸出。輸出有效信號由旁路信號byp,結束信號term，大概 率區(qū)間大小的最高位經(jīng)過上與門，上與門輸出再和大概率標記信號raps.以 及上級輸出有效信號作為輸入進入下與門，下與門的輸出即為當前比特級的 輸出有效信號。通過局部更新總線概率生成模塊接收新生成輸出比特值，并將新的上下 文概率信息(概率和大概率值)寫入到局部上下文寄存器，以便進行下一次并 行二進制算術解碼。如果解碼值是大概率值，則概率增加，否則如果解碼值 不是大概率值，則概率減少，減少和增加的值由查表得到，局部上下文寄存 器暫存解碼當前圖像塊所需要的概率和大概率值，局部上下文寄存器的結果
在圖像塊切換時與上下文RAM進行交換更新。術人員應當理解可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的 精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1. 一種高效并行CABAC解碼方法，其特征在于，在該解碼方法中包括語法元素分類處理方法，并行概率生成方法，并行算術解碼方法，以及并行概率模型更新方法。
2、 根據(jù)權利要求1所述的高效并行CABAC解碼方法.其特征在于，所述的語法元素分類處理的方法是語法元素按出現(xiàn)頻率進行劃分'對出現(xiàn)頻 率較高的語法元素，采用并行概率生成方法，并行算術解碼方法-以及并行 概率模型更新方法，每一個時鐘周期解碼一個輸入比特；對出現(xiàn)頻率較低的 語法元素，每一個時鐘周期解碼一個輸出比特」
3、 根據(jù)權利要求2所述的高效并行CABAC解碼方法，其特征在于，所述的出現(xiàn)頻率較高的語法元素，包括而不限于幀內(nèi)預測模式，運動向量信,iL-. 非零系數(shù)位置信息，和非零系數(shù)值信息。
4 、根據(jù)權利要求2所述的高效并行CABAC解碼方法.其特征在亍.所述的出現(xiàn)頻率較低的語法元素，包括而不限于宏塊類型，宏塊幀場自適應標 記，編碼塊模式，分塊方式標記，量化參數(shù)差值。
5、 根據(jù)權利要求1所述的高效并行CABAC解碼方法，其特征在于，所述的并行概率生成方法是生成多個相鄰的輸出比特的概率值時，不進行完成 的算術解碼，而是假設所有當前待解碼的輸出比特均為大概率值，按照這種 假設的解碼結果對語法元素類型和概率模型進行更新，得到算術解碼所需要 的新的概率值。
6、 根據(jù)權利要求1所述的高效并行CABAC解碼方法，其特征在于，所 述的并行算術解碼方法，其特征在于在生成多個相鄰的輸出比特時，對每一 個輸出比特，設定該輸出比特前面的所有同時解碼的輸出比特均為大概率 值，按照這種設定對算術解碼器的范圍和偏移進行更新，根據(jù)更新過后的范 圍和偏移值進行完整的算術解碼。
7、 根據(jù)權利要求1所述的高效并行CABAC解碼方法，其特征在于并行 概率模型更新方法是利用輸出有效標記來進行并行概率模型更新-每一 個輸 出比特都對應一個有效標記，對于每一個輸出比特，當該輸出比特前面的所 有同時解碼的輸出比特的完整解碼值確實均為大概率值時，認為該輸出比特 有效，否則無效，并行概率模型更新模塊只依據(jù)有效的輸出比特進行概率模 型的更新。
8、 一種高效并行CABAC解碼裝置，其特征在于，該解碼裝置包括頭信 息解碼裝置，多比特算術解碼裝置，并行概率生成裝置，以及局部上下文寄 存器和上下文模型RAM(隨機訪問存儲器)。
9、 根據(jù)權利要求8所述的高效并行CABAC解碼裝置.其特征在于.所 述的頭信息解碼裝置解碼出現(xiàn)頻率較低的語法元素，每一個時鐘周期解碼一 個輸出比特。
10、 根據(jù)權利要求8所述的高效并行CABAC解碼裝置，其特征在于，所 述的多比特算術解碼裝置解碼出現(xiàn)頻率較高的語法元素，每一個時鐘周期解 碼一個輸入比特，輸入連接多個輸出比特對應的概率，大概率值和控制標記. 輸出連接多個輸出比特以及各輸出比特的有效標記，比特級之間傳遞的范圍 和偏移值是假設解碼比特均為大概率情況時的范圍和偏移值。
11、 根據(jù)權利要求8所述的高效并行CABAC解碼裝置，其特征在于.所述的并行概率生成裝置解碼出現(xiàn)頻率較的語法元素，包括幀內(nèi)預測模式概率裝置，運動向量概率裝置，非零位置系數(shù)概率裝置，非零系數(shù)值概率裝置； 這四個并行概率生成裝置分別與局部上下文寄存器相連接，該四個并行概率生成裝置每一個時鐘周期輸出一個輸入比特解碼所需要的多個概率和大概 率值和控制標記，每一對概率和大概率值是假設解碼比特均為大概率情況時 的概率和大概率值；并行概率生成裝置同時進行并行概率模型更新，并將更 新的結果寫入局部上下文寄存器。
12、 根據(jù)權利要求8所述的高效并行CABAC解碼裝置，其特征在于.所述的局部上下文寄存器暫存解碼當前圖像塊所需要的概率和大概率值，局部上下文寄存器的結果在圖像塊切換時與上下文RAM進行交換更新
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高效并行CABAC(基于上下文的自適應二進制算術編碼)解碼方法及其裝置。本方法和裝置專門用于新一代視頻編碼標準H.264的VLSI(超大規(guī)模集成電路)實現(xiàn)，并針對其主級別中規(guī)定的CABAC解碼過程。本發(fā)明包括變長算術解碼方法，以及與之相對應的并行二進制算術解碼裝置，和并行概率生成及更新裝置。本解碼裝置可以保證在最壞情況下的高清晰度(1080i制式30Mbps)視頻圖像的實時解碼。
文檔編號H04N7/26GK101212676SQ20061016735
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權日2006年12月29日
發(fā)明者鵬 張 申請人:北京展訊高科通信技術有限公司