基于HEVC的CABAC硬件解碼器設計

韓學森，張德學，王 超，張存生，冀貞賢，杜飛飛

(山東科技大學 電子通信與物理學院，山東 青島 266590)

基于HEVC的CABAC硬件解碼器設計

韓學森，張德學，王 超，張存生，冀貞賢，杜飛飛

(山東科技大學 電子通信與物理學院，山東 青島 266590)

首先分析了高效視頻編碼(High Efficiency Video Coding，HEVC)編碼標準，對HEVC的新特性進行總結，并給出HEVC解碼器整體架構。其次提出基于熵解碼部分優化的硬件解碼器架構，并進行仿真驗證。最終通過與HM12.0軟件評測結果的對比，證明所設計的上下文自適應二進制算數編碼(Context Adaptive Binary Arithmatic Coding，CABAC)硬件解碼器性能能夠滿足解碼要求。

HEVC；HM12.0;CABAC；硬件解碼器

0 引言

近年來，隨著數字化信息的迅猛發展，視頻信號對人們的生活影響逐漸增大，人們對視頻質量的要求也越來越高，目前，1 080 P分辨率的視頻已經非常普及，4K甚至8K超高分辨率視頻也在逐漸推廣開來。這對視頻信號傳輸造成了巨大壓力，對視頻信號進行高效壓縮是解決這個問題的有效方案。為實現這個目標，國際電信聯盟和國際標準組織各自編訂了一系列編碼標準。截至目前，研究最熱門、應用前景最廣泛的視頻編碼標準為高效視頻編碼(High Efficiency Video Coding,HEVC)[1]。

本設計在對HEVC標準進行全面剖析的基礎上，分析了HEVC標準的新的關鍵特性，并給出HEVC解碼器總體架構。然后設計針對熵解碼部分進行優化的硬件解碼器并仿真，最終通過與官方參考軟件HM12.0解碼效果相比較，證實了所設計的硬件解碼器性能符合要求[2]。

1 HEVC簡介

1.1 HEVC標準

2010年4月，在德國德累斯頓召開了視頻編碼聯合協作小組(Joint Collaborative Team on Video Coding，JCT-VC)第一次會議，確定了新一代視頻編碼標準名稱為HEVC，并且建立了標準測試模型HM[3]。2013年1月，HEVC正式成為國際標準。HEVC編碼標準的核心是以上一代視頻編碼標準H.264/AVC為基礎，可對高分辨率、高保真的視頻壓縮效率提高一倍，即在保持相同視頻圖像質量的條件下，視頻流的碼率降低50%，但計算復雜度會提升2～4倍[4]。

1.2 HEVC新特性

與上一代編碼標準H.264相比，HEVC的新特性體現在許多方面，最主要的技術特點如下：

(1)更大尺寸的編碼結構：采取超大尺寸四叉樹編碼結構，編碼單元最大可達64×64，且可以根據實際需求進一步劃分；

(2)更靈活的塊結構：采用自適應變換(Residual Quad-tree Transform，RQT)，根據輸入信號自動選擇變換塊大小；

(3)并行化設計：采用基于slice的并行處理方式、基于tile的并行處理方式以及波前并行處理(Wavefront Parallel Processing，WPP)多種并行處理方式，更好地滿足高分辨率視頻解碼的實時性需求[5]。

1.3 HEVC解碼器

圖1給出HEVC解碼器總體架構圖。

2 HM12.0評測

2.1 評測環境及所用序列

本設計使用HM12.0參考軟件對HEVC標準中的解碼器部分進行復雜度評測。評測環境如表1所示。序列信息如表2所示。

表1 評測環境

表2 序列信息

2.2 不同量化參數下解碼時間比例變化

解碼過程中量化參數對解碼也會有很大影響，圖2給出了在不同量化參數配置下，部分模塊解碼時間占整體解碼時間的百分比及變化趨勢。

圖2 不同量化參數下各模塊解碼時間比例變化

觀察圖2可以得出，隨著量化參數的增加，熵解碼模塊解碼時間占總體時間的比例逐漸減小，但是其他模塊如反變換反量化IQT、幀間預測編碼、去塊濾波DF等所占的時間比例將有所增加。

3 CABAC硬件解碼器設計與驗證

3.1 CABAC硬件解碼器架構

圖3給出了CABAC硬件解碼器的總體架構。輸入的比特流在緩存中位移，隨后算術解碼器對二進制值進行解碼，同時對相關模型進行更新，控制模塊則是控制著整個解碼流程有序進行，最終解碼完成結果由輸出模塊進行輸出[6]。

圖3 CABAC硬件解碼器架構

圖4給出CABAC硬件解碼器具體解碼過程。

圖4 CABAC硬件解碼流程圖

3.2 性能驗證

本設計使用BasketballDrive(1 920×1 080，500幀) 作為測試序列對CABAC硬件解碼器進行仿真測試。

圖5給出CABAC硬件解碼器控制模塊的仿真效果。觀察波形可以發現，控制模塊很好地完成了數據的讀取和模型變量的更新，即解碼器仿真結果與HM12.0評測結果相一致，解碼性能符合要求。

4 結論

本設計首先介紹了HEVC標準發展歷程及關鍵特性，然后在對HEVC官方參考軟件HM12.0解碼部分進行評

圖5 控制模塊仿真結果

測的基礎上，設計針對熵解碼部分的CABAC硬件解碼器并進行仿真驗證。最終與HM12.0評測結果進行對比，證實所設計的硬件解碼器解碼性能滿足要求。

[1] 汪八零.基于H.264/AVC去塊濾波器的研究及VLSI設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[2] 石陽.H.264的實時熵解碼器設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

[3] 彭金虎，岑峰. HEVC幀間運動歸并技術的研究[J].微型機與應用，2013,32(1)：40-41,44.

[4] 柳素華. HEVC視頻編碼關鍵技術研究與實現[D].廈門：廈門大學，2011.

[5] 徐寶鳳.基于H_265的軟件解碼平臺設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2013.

[6] 汪建軍.HEVC視頻編解碼標準研究及解析模塊設計[D].濟南：山東大學，2014.

Design of CABAC hardware decoder based on HEVC

Han Xuesen, Zhang Dexue, Wang Chao, Zhang Cunsheng, Ji Zhenxian, Du Feifei

(College of Electronics, Communication and Physics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

In this paper, we analyzed the HEVC (High Efficiency Video Coding) coding standard firstly, summarized the new features of HEVC, and gave the overall architecture of HEVC decoder. Then put forward the design of hardware decoder aiming at entropy decoding part and carried out simulation. Finally, it was proved by the result comparison with HM12.0 that the performance of CABAC (Context Adaptive Binary Arithmatic Coding) hardware decoder can meet the decoding requirements.

HEVC; HM12.0; CABAC; hardware decoder

TN492

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.010

韓學森，張德學，王超，等.基于HEVC的CABAC硬件解碼器設計[J].微型機與應用，2017,36(23)：35-36，40.

2017-06-13)

韓學森(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：專用集成電路設計。

張德學(1977-)，男，副教授，碩士生導師，主要研究方向：異構多核片上網絡NoC建模與評估、SoC集成電路設計。

王超(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：專用集成電路設計。