CN110337001A - 一种基于hevc的残差编码吞吐率优化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统，所述系统包括依次连接的数据输入模块、CABAC编码器模块和输出接口模块；所述CABAC编码器模块包括CABAC主控状态机模块、二值化模块、上下文模型模块和BAC编码模块；所述数据输入模块与CABAC主控状态机模块连接；所述CABAC主控状态机模块与上下文模型模块和二值化模块分别连接；所述BAC编码模块与上下文模型模块、二值化模块和输出接口模块分别连接。

Description

一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统及方法
技术领域
本发明涉及高效视频编码领域，具体涉及一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统及方法。
背景技术
视频编码在当今社会有着广泛运用场合，在不断扩大的对高分辨率视频的庞大需求下有着广阔的商业市场空间。这也使得视频编码必须符合实时、高效的性能特点。HEVC视频标准比上一代标准复杂度提高了2~4倍，这使得以往的硬件架构难以承担对实时视频编码的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统，能够实现对高清视频的实时编码，优化了残差编码的编码结构，能有效提升熵编码的吞吐率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统，所述系统包括依次连接的数据输入模块、CABAC编码器模块和输出接口模块；所述CABAC编码器模块包括CABAC主控状态机模块、二值化模块、上下文模型模块和BAC编码模块；所述数据输入模块与CABAC主控状态机模块连接；所述CABAC主控状态机模块与上下文模型模块和二值化模块分别连接；所述BAC编码模块与上下文模型模块、二值化模块和输出接口模块分别连接。
进一步的，所述数据输入模块对熵编码所需编码的数据分类保存，包括CTU数据供给模块和CTU参考数据供给模块。
进一步的，所述CTU数据供给模块包括来自RDO的预测信息：CU深度数据、TU深度数据、PU分割类型数据、预测模式信息、CBF数据、帧内预测方向数据、帧间预测模式数据、帧间Mvd数据以及来自重构的残差数据。
进一步的，所述CABAC主控状态机模块包括帧头信息模块和编码预处理模块；所述帧头信息模块编码视频的高层语法结构中的参数集头信息，包括视频参数集信息、序列参数集信息、图像参数集信息和Slice层参数集信息；所述编码预处理模块对视频的预测信息、重构数据进行编码。
进一步的，所述上下文模型模块包括上下文初始化ROM模块和上下文建模模块，用于构建不同语法元素对应的上下文模型数据；所述上下文初始化ROM模块用于保存标准中固定化的上下文初始化参数，分别对应视频的三种帧类型：I帧、P帧和B帧；所述上下文建模模块用于将这些初始化数据计算成对应的上下文模型，并根据BAC模块的编码信息实时更新对应语法元素的上下文信息，上下文建模模块的数据输出与BAC模块输入相连编码模块。
进一步的，所述BAC编码模块包括BAC_FIFO模块和BAC模块，通过算术编码将解析并二值化后的数据根据上下文信息编码成可解码的视频流并输出到输出接口模块；所述BAC_FIFO模块与二值化模块和BAC模块分别连接，用于解决两个模块数据处理速度不同的问题；所述BAC模块用于实现算术编码的计算，分成常规编、旁路编码和结束编码。
进一步的，所述输出接口模块包括串入并处模块和码流FIFO模块。
一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1:将编码以CTU为单位写入数据，并判断当前CTU是否是一帧的第一个CTU；
步骤S2:若是第一个CTU则编码帧头信息并对上下文模型信息进行初始化；否则进入编码预处理模块，按照编码层级进入CU模块、PU模块、TU模块以及残差编码模块；
步骤S3:将语法元素输入二值化模块得到对应的二值数据，从上下文模型模块中得到每个二值数据对应的上下文模型；
步骤S4:将二值数据和上下文模型均送入BAC编码模块，由BAC模块输出码流至输出接口模块；
步骤S5:当CTU内部所有语法元素都结束编码则完成整个编码流程。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提高视频编码中熵编码CABAC的编码效率，达到实时编码高清视频的应用需求。改进熵编码中残差编码的编码结构，在少量增加硬件资源的条件下，提升熵编码模块的吞吐率。
附图说明
图1是本发明系统架构框图；
图2是本发明一实施例中残差数据存储分布结构图；
图3是本发明一实施例中残差编码流水线示意图；
图4是本发明一实施例中基于预判断全零CG跳过残差编码的电路结构图；
图5是本发明一实施例中编码流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统，所述系统包括依次连接的数据输入模块、CABAC编码器模块和输出接口模块；所述CABAC编码器模块包括CABAC主控状态机模块、二值化模块、上下文模型模块和BAC编码模块；所述数据输入模块与CABAC主控状态机模块连接；所述CABAC主控状态机模块与上下文模型模块和二值化模块分别连接；所述BAC编码模块与上下文模型模块、二值化模块和输出接口模块分别连接。
在本实施例中，所述数据输入模块对熵编码所需编码的数据分类保存，包括CTU数据供给模块和CTU参考数据供给模块。CTU数据供给模块11包含来自RDO的预测信息：CU深度数据、TU深度数据、PU分割类型数据、预测模式信息、CBF数据、帧内预测方向数据、帧间预测模式数据、帧间Mvd数据等；以及来自重构的残差数据；其中残差数据为了适应熵编码的取值特性和可变CTU大小的配置，以CG为单位进行存放，减少残差模块取值的地址计算复杂度。
如图2所示，将残差块以CG为单位，按列存放在相同RAM中连续的地址空间，不同CG行开辟不同的RAM空间。CTU数据供给模块包含来自相邻CTU的编码数据，包括上方和左侧CTU的帧内预测方向信息、CU深度信息、skip_flag信息。
在本实施例中，CABAC主控状态机模块包括帧头信息模块及其子模块VPS模块、SPS模块、PPS模块、Slice_header模块，编码预处理模块及其子模块CU模块、PU模块、TU模块、残差编码控制模块、CG编码模块。所述的帧头信息模块对视频的视频参数集数据、序列参数集数据、图像参数集数据和Slice参数集数据进行编码。编码预处理模块负责将CTU数据供给模块中的数据按语法层级解析语法元素并传输给二值化模块，同时由CTU参考数据供给模块计算出编码所需的上下文信息并传输到上下模模型模块。编码预处理模块中的残差编码控制模块将待编码的CG块分为两类：可跳过编码CG和不可跳过编码CG。其中对于需要编码的CG残差块，需要进行取值、扫描、编码的步骤：取值阶段从CTU数据供给模块获取数据，扫描得出相关语法元素信息并传输数据给CG编码模块进行CG内部的编码。其中上述取值、扫描、编码的三阶段以流水线的结构进行实现，如图3所示。
对于可跳过CG，采用基于预判断全零CG跳过残差编码的电路快速计算CSBF，跳过取值和扫描过程。其中利用了既得数据CBF_Value和tu深度信息参与计算，相关公式为： 。使用该方法只需移位和与运算即可快速计算CSBF，改善了只能通过取值计算的方法，具体实现方法见图4。
在本实施例中，上下文模型模块包括上下文初始化ROM模块和上下文建模模块，用于构建不同语法元素对应的上下文模型数据；所述上下文初始化ROM模块用于保存标准中固定化的上下文初始化参数，分别对应视频的三种帧类型：I帧、P帧和B帧；所述上下文建模模块用于将这些初始化数据计算成对应的上下文模型，并根据BAC模块的编码信息实时更新对应语法元素的上下文信息，上下文建模模块的数据输出与BAC模块输入相连编码模块。
在本实施例中，所述BAC编码模块包括BAC_FIFO模块和BAC模块，通过算术编码将解析并二值化后的数据根据上下文信息编码成可解码的视频流并输出到输出接口模块；所述BAC_FIFO模块与二值化模块和BAC模块分别连接，用于解决两个模块数据处理速度不同的问题；所述BAC模块用于实现算术编码的计算，分成常规编、旁路编码和结束编码。
在本实施例中，所述输出接口模块包括串入并处模块和码流FIFO模块用于实现不同要求的码流输出格式。
参照图5，本实施例中一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1:将编码以CTU为单位写入数据，并判断当前CTU是否是一帧的第一个CTU；
步骤S2:若是第一个CTU则编码帧头信息并对上下文模型信息进行初始化；否则进入编码预处理模块，按照编码层级进入CU模块、PU模块、TU模块以及残差编码模块；
步骤S3:将语法元素输入二值化模块得到对应的二值数据，从上下文模型模块中得到每个二值数据对应的上下文模型；
步骤S4:将二值数据和上下文模型均送入BAC编码模块，由BAC模块输出码流至输出接口模块；
步骤S5:当CTU内部所有语法元素都结束编码则完成整个编码流程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统，其特征在于：所述系统包括依次连接的数据输入模块、CABAC编码器模块和输出接口模块；所述CABAC编码器模块包括CABAC主控状态机模块、二值化模块、上下文模型模块和BAC编码模块；所述数据输入模块与CABAC主控状态机模块连接；所述CABAC主控状态机模块与上下文模型模块和二值化模块分别连接；所述BAC编码模块与上下文模型模块、二值化模块和输出接口模块分别连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统，其特征在于：所述数据输入模块对熵编码所需编码的数据分类保存，包括CTU数据供给模块和CTU参考数据供给模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统，其特征在于：所述CTU数据供给模块包括来自RDO的预测信息：CU深度数据、TU深度数据、PU分割类型数据、预测模式信息、CBF数据、帧内预测方向数据、帧间预测模式数据、帧间Mvd数据以及来自重构的残差数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统，其特征在于：所述CABAC主控状态机模块包括帧头信息模块和编码预处理模块；所述帧头信息模块编码视频的高层语法结构中的参数集头信息，包括视频参数集信息、序列参数集信息、图像参数集信息和Slice层参数集信息；所述编码预处理模块对视频的预测信息、重构数据进行编码。
5.根据权利要求1所述的一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统，其特征在于：所述上下文模型模块包括上下文初始化ROM模块和上下文建模模块，用于构建不同语法元素对应的上下文模型数据；所述上下文初始化ROM模块用于保存标准中固定化的上下文初始化参数，分别对应视频的三种帧类型：I帧、P帧和B帧；所述上下文建模模块用于将这些初始化数据计算成对应的上下文模型，并根据BAC模块的编码信息实时更新对应语法元素的上下文信息，上下文建模模块的数据输出与BAC模块输入相连编码模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统，其特征在于：所述BAC编码模块包括BAC_FIFO模块和BAC模块，通过算术编码将解析并二值化后的数据根据上下文信息编码成可解码的视频流并输出到输出接口模块；所述BAC_FIFO模块与二值化模块和BAC模块分别连接，用于解决两个模块数据处理速度不同的问题；所述BAC模块用于实现算术编码的计算，分成常规编、旁路编码和结束编码。
7.根据权利要求1所述的一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统，其特征在于：所述输出接口模块包括串入并出模块和码流FIFO模块。
8.一种基于HEVC的残差编码吞吐率优化系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:将编码以CTU为单位写入数据，并判断当前CTU是否是一帧的第一个CTU；
步骤S2:若是第一个CTU则编码帧头信息并对上下文模型信息进行初始化；否则进入编码预处理模块，按照编码层级进入CU模块、PU模块、TU模块以及残差编码模块；
步骤S3:将语法元素输入二值化模块得到对应的二值数据，从上下文模型模块中得到每个二值数据对应的上下文模型；
步骤S4:将二值数据和上下文模型均送入BAC编码模块，由BAC模块输出码流至输出接口模块；
步骤S5:当CTU内部所有语法元素都结束编码则完成整个编码流程。
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