中文引用格式： 王世豪，周志剛，郭旭，等. H.265/HEVC熵解碼的分組并行流水線實現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應用，2023，49(10)：59-64.
英文引用格式： Wang Shihao，Zhou Zhigang，Guo Xu，et al. Parallel pipeline implementation of H.265/HEVC entropy decoding[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(10)：59-64.
0 引言
與H.264/AVC相比，視頻壓縮標準H.265/HEVC能夠在相同的圖像質(zhì)量下實現(xiàn)更低的碼率，即更高的壓縮比[1]。基于上下文的二進制自適應算術(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，相對于另一種熵編碼方案基于上下文的自適應可變長編碼(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算和內(nèi)部存儲器件的訪問。在解碼過程中，語法元素需要其前面的語法元素來確定上下文地址，在每個binVal被解碼獲得時，解碼過程需要檢查流是否被更改或保持在相同的語法元素中。因此，解碼過程比編碼過程具有更多的依賴性。同時，在標準的熵解碼流程中，由于位流指針(binIdx)的存在，導致熵解碼過程串行程度過高，占用了較長的解碼時間。導致CABAC模塊成為視頻解碼器的吞吐量瓶頸。因此，有必要針對以上問題設(shè)計一種高并行、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域并行性擴展、基于單周期的多位解碼、基于預測的解碼和基于子區(qū)間重排序的解碼。文獻[2-3]通過流水線的方式擴展時域并行性，但碼流之間的高數(shù)據(jù)依賴使反饋環(huán)路串行程度過高，導致在流水線架構(gòu)中過多的時鐘冗余。文獻[4-9]通過增加額外的解碼邏輯來增加每周期的解碼輸出位，但該種方法實現(xiàn)的時鐘速率較低。文獻[8-9]通過使用基于預測解碼的方法節(jié)省了預存解碼信息的硬件開銷，但帶來了額外的關(guān)鍵路徑延遲，且有較高的預測失誤懲罰，導致了較低的吞吐量。文獻[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，其吞吐量可達到3 026 Mbins/s。這種結(jié)構(gòu)改進算術(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[11]在算術(shù)編碼子區(qū)間重排序的基礎(chǔ)上，采用5級流水線的結(jié)構(gòu)，進一步使用鎖存器來減少熵解碼的面積開銷，布局布線后可實現(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使用才能保證編解碼一致性，實用性不高。
針對上述方法存在的不足，本文根據(jù)CABAC解碼算法特點和FPGA硬件高并行的特性，提出了一種多路并行的CABAC解碼器。通過將語法元素分組并行處理，減少了內(nèi)部寄存器使用與訪問次數(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 電子信息學院，浙江 杭州 310018）
