CN106331715B - 基于视频压缩编码标准h.265的熵编码***及其编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***及其编码方法，所述***包括语法元素存储装置、熵编码控制装置、二值化装置、编码指令队列装置、上下文管理与维护装置、基于上下文自适应算术编码引擎装置、流码打包装置、上下文初始化控制装置、上下文初始值存储装置；通过所述***解决了H.265的编码单元从16×16块变为64×64块，造成硬件编码器的吞吐率瓶颈从熵编码转移到其他的模块，造成单核实时编码的速度满足不了实际需求的技术问题，达到在保证熵编码***吞吐率的前提条件下，尽可能降低硬件开销的目的。

Description

基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***及其编码方法
技术领域
本发明涉及视频编码技术领域，具体来说涉及一种H.265熵编码硬件实现的方法。
背景技术
2013年1月份，JCT-VC发布了新一代视频压缩编码标准H.265，与上一代视频编码标准H.264相比，性能提升近50％左右，在不久的将来，新一代视频编码标准H.265将在各种视频编解码场合得到普遍使用，为此各种视频编码设备所使用的编码器也必将进行更新换代。
一个完整的视频编码器包括帧内预测、帧间预测、环路滤波、模式选择和熵编码等模块，由于算法的复杂度高，软件很难做到实时编码，绝大多数编码器是用硬件实现的。在标准的H.265码流中，slice_segment_data及其以下层次语法元素占用了码流绝大部分比例，为此，硬件编码器以slice(条带)为单元，只负责完成slice_segment_data及其以下层次语法元素的编码，slice_header及其以上层次语法元素的编码交由CPU完成。
相对上一代视频编码标准，新一代视频编码标准在熵编码方面做了很多优化工作，其中最主要的改动是不再支持CAVLC(基于上下文的自适应变长编码)，只支持CABAC(基于上下文的自适应算术编码)。其中，所述CABAC编码需要先将各种语法元素按照标准约束进行二值化生成两类Bin(二进制字符串)：Regular Bin(常规二进制字符串)和Bypass Bin(旁路二进制字符串)。Regular Bin属于需要上下文建模的Bin，完成每一个Regular Bin的编码需提供正确的上下文内容、Range(长度)和Low(下限)状态，做完后需更新上下文内容、Range和Low状态，这是一个紧凑的闭环，只有完成当前Regular Bin的所有操作之后才能进入下一个Bin的编码；Bypass Bin属于不需要上下文建模的Bin，不需要任何上下文信息，对Range和Low状态的更新也更简单，只需移位操作即可，不需要如Regular Bin进行一次查找表操作。
与H.264所采用的CABAC编码相比较，H.265在主要在以下三方面做了优化：
1)减少了总的Bin个数；
2)减少了需使用上下文建模的Regular Bin个数；
3)将不需要上下文建模的Bypass Bin归类集中编码。
在上一代视频编码标准H.264的硬件实现方案中，熵编码模块通常是一个编码器方案吞吐率的瓶颈模块，往往一个周期完成一个Regular Bin编码不能满足要求，常规解决方法是一个周期完成多个Regular Bin编码，这会带来很多问题，譬如：关键路径变长导致综合频率受限、多个Regular Bin同时完成编码导致了Range和Low状态的更新更加复杂、为了匹配一周期完成多个Regular Bin编码而设计的二进制化模块的硬件开销迅速变大。相对于一个周期完成一个Bypass Bin来说，一个周期完成多个Bypass Bin编码也需要付出额外的硬件开销，但跟Regular Bin相比，则代价小很多，实验表明一个周期完成8个BypassBin编码是速度和面积很好的折中选择。
为了在进行大幅面视频图像编码时提高压缩率，H.265的编码单元从16X16块变为64X64块，相对于其他模块，熵编码对块大小敏感程度更低，硬件编码器方案的吞吐率瓶颈将转移到其他的模块，例如模式选择、运动搜索或环路滤波等上，单核实时编码将面临巨大的挑战，为此，H.265特别引入了并行编码模式，并为此定制了并行编码的CABAC编码引擎，多核架构的硬件方案将会是主流方案。在经过CABAC编码的优化和多核的分摊之后，编码器对熵编码吞吐率的要求进一步降低，一个周期完成1个Regular Bin或8个Bypass Bin的吞吐率已经能够满足绝大多数应用场景的要求。
发明内容
鉴于上述情况，本发明提供一种基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***及其编码方法，用以解决H.265的编码单元从16×16块变为64×64块，造成硬件编码器的吞吐率瓶颈从熵编码转移到其他的模块，造成单核实时编码的速度满足不了实际需求的技术问题，达到在保证熵编码***吞吐率的前提条件下，尽可能降低硬件开销的目的。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***，包括核外模块及多个核内模块，所述核外模块用于初始化上下文；其特征在于，所述核内模块包括：语法元素存储装置，用于存储待编码语法元素，所述语法元素包括残差语法存储单元及残差语法元素；熵编码控制装置，用于从所述语法元素存储装置内部读取语法元素、控制编码流程、管理相邻块信息和发送二值化指令；二值化装置，用于接收并依据所述熵编码控制装置输出的二值化指令对所述待编码语法元素进行二值化，以形成编码指令输出；上下文管理与维护装置，通过所述核外模块进行上下文初始化，并用于在编码过程中持续读取和更新上下文内容，接收并翻译所述编码指令形成算术编码指令；基于上下文自适应算术编码引擎装置，用于接收并依据所述上下文管理与维护装置发送的算术编码指令进行算术编码，以输出相应的算术编码码流；流码打包装置，用于接收外部控制器配置的头信码流以及所述基于上下文自适应算术编码引擎装置输出的算术编码码流，所述头信码流及所述算术编码码流通过流码打包装置拼接形成一最终码流输出。
本发明基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***的进一步改进在于，所述语法元素存储装置具有残差语法存储单元及非残差语法存储单元；所述残差语法元素通过H.265熵编码以4×4块为单元进行编码，令拥有非零系数的4×4原始残差数据按照编码顺序存储于所述残差语法存储单元；所述残差语法元素的数据量为≦384×256比特；所述非残差语法元素依据H.265标准的编码顺序存储于所述非残差语法存储单元；所述非残差语法元素在帧内预测模式下的数据量为≦113×64比特，在帧间法测模式下的数据量为≦177×64比特。
本发明基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***的进一步改进在于，所述二值化装置与所述上下文管理与维护装置之间具有一编码指令队列装置连接，所述编码指令队列装置用于接收及缓存所述二值化装置输出的编码指令并输出至所述上下文管理与维护装置，及/或用于匹配所述二值化装置与所述基于上下文自适应算术编码引擎装置的编码速度。
本发明基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***的进一步改进在于，所述流码打包装置的码流缓冲空间为16×32～24×32比特。
本发明基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***的进一步改进在于，所述上下文管理与维护装置包含一具有155×7比特的双端口RAM，用于存储上下文内容；所述上下文管理与维护装置在启动条带编码前，从所述核外模块的上下文初始值存储装置获取初始值；所述上下文管理与维护装置在波前编码模式时，在启动一行编码树单元的编码前，先从所述核外模块的上下文初始值存储装置获取初始值，并且在执行前两个编码树单元的编码过程中，将更新后的上下文内容输出到所述上下文初始值存储装置中；所述上下文管理与维护装置在执行常规二进制字符串编码时，用于读取当前上下文地址的内容、将其输出到所述基于上下文自适应算术编码引擎装置，并更新所述上下文地址的内容；所述上下文管理与维护装置在执行常规二进制字符串编码及旁路二进制字符串编码时，用于读取当前上下文地址的内容，将所述当前上下文地址的内容输出到所述基于上下文自适应算术编码引擎装置，并在执行常规二进制字符串编码时进一步更新所述上下文地址的内容。
本发明基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***的进一步改进在于，所述基于上下文自适应算术编码引擎装置具有一算术编码内部状态寄存器，所述基于上下文自适应算术编码引擎装置依据所述算术编码指令更新所述算术编码内部状态寄存器，以输出相应的算术编码码流；所述基于上下文自适应算术编码引擎装置在完成一个条带编码的时候返回一个编码结束指令至所述上下文管理与维护装置。
本发明基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***的进一步改进在于，所述上下文初始化控制装置，包含CABAC编码引擎初始化所需要三种不同的CABAC初始化类型的全部参数，用于结合所述外部控制器配置的条带量化参数(slice_qp)，生成CABAC编码引擎的上下文初始化数据；所述上下文初始化控制装置内包含一465×8比特的ROM，用于存储所述上下文初始化参数；所述上下文初始值存储装置，用于存储编码器内所有编码核的CABAC编码引擎在初始化时所需要的上下文内容；所述上下文初始值存储装置包含一深度为155及数据位宽为7比特的单端口RAM。
本发明基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***的进一步改进在于，所述二值化装置输出的编码指令信息包括对应所述待编码语法元素的所有二进制字符串的模式信息、二进制值信息、常规二进制字符串的上下文地址信息及/或旁路二进制字符串长度信息；该些信息经打包后形成所述编码指令信息输出。
此外，本发明也提供了一种基于视频压缩编码标准H.265的熵编码方法，其方法步骤包括：
1)将残差语法元素和非残差语法元素分开存储；使用≦384×256比特的内存存放残差数据，使用≦177×64比特的内存存放非残差数据；
2)根据H.265标准，按顺序发起各种语法元素的二值化指令；
3)按照所述二值化指令将对应的语法元素执行相应的二值化操作；
4)缓存步骤2)及步骤3)形成的编码指令，匹配前级模块与后级模块的编码指令；
5)在每一个编码核内维护一套上下文内容，在编码过程中持续读取所述上下文内容，并存储及/或更新所述上下文内容；
6)根据所述上下文内容进行编码，以形成算术编码码流输出；
7)将头信息码流与所述算术编码码流拼接形成最终码流输出。
进一步地，本发明基于视频压缩编码标准H.265的熵编码方法的方法步骤更包括：
在启动条带编码之前，先完成所述核外模块的存储单元的初始化操作；
在启动各个核内模块分别进行各行的编码之前，先完成所述核内模块的存储单元的初始化操作，再启动各个核内模块执行当前行的编码工作。
附图说明
图1为本发明熵编码***的架构示意图。
图2是本发明熵编码***的多核编码架构示意图。
附图标记与部件的对应关系如下：
语法元素存储装置1；熵编码控制装置2；二值化装置3；编码指令队列装置4；上下文管理与维护装置5；基于上下文自适应算术编码引擎装置6；流码打包装置7；上下文初始化控制装置8；上下文初始值存储装置9；外部控制器10；核内模块A；核外模块B。
具体实施方式
为利于对本发明的了解，以下结合附图及实施例进行说明。
于本发明中，“H.265标准”是视频压缩编码标准H.265的缩写。
为利于对本发明的了解，以下结合附图1～图2、表1～表23的语法元素列表及实施例进行说明。所述表1至表23汇整于具体实施方式之后。
如图1所示，本发明基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***(以下简称熵编码***)，是由编码器核内模块A和编码器核外模块B两部分组成，所述核内模块A由虚线框内的几个装置构成，包括：语法元素存储装置1、熵编码控制装置2、二值化装置3、编码指令队列装置4、上下文管理与维护装置5、基于上下文自适应算术编码引擎装置6；所述核外模块B则由实线框内的两个装置构成，包括：上下文初始化控制装置8和上下文初始值存储装置9，且所述熵编码***具有一外部控制器10与所述核内模块A及所述核外模块B连接。如图2，显示本发明多核编码结构框图，于此仅显示了熵编码核内模块，实际上每个编码核还包括模式预测装置、帧内预测装置、帧间预测装置和环路滤波装置等其他装置；在实现本发明熵编码***时，每个核需要一套所述核内模块A，整个编码器只需要一套核外模块B。
在启动slice(条带)编码之前，由外部控制器10先发送指令到核外的上下文初始化控制装置8，完成核外的上下文初始值存储装置9内存储单元的初始化操作。在启动各个核分别进行各行的编码之前，由外部控制器10先发送指令到核内的上下文管理与维护装置5，完成上下文管理与维护装置5中的存储单元的初始化操作,之后再启动各个核执行当前行的编码工作。
所述语法元素存储装置1负责存储待编码语法元素，包括残差语法元素和非残差语法元素，两种不同的语法元素分两块位宽和深度都不同的存储器存放；对于残差语法元素，H.265熵编码以4×4块为单元进行编码，由于残差待编码语法元素(需直接进行二值化并且参与CABAC编码的语法元素)的生成较复杂并且不同块之间的差异非常大，语法元素存储装置只按照编码顺序存储拥有非零系数的4×4原始残差数据；对于非残差语法元素，参照H.265官方标准201304版7.3.8节，语法元素存储装置按照编码顺序将非残差语法元素按序存放。
编码树单元(Coding Tree Unit，CTU)是H.265/高效率视讯编码(HighEfficiency Video Coding，HEVC)的处理单元。此处理单元类似H.264/高阶视讯编码(Advanced Video Coding，AVC)中的宏区块(Macroblock)。于本发明中，当编码树单元的大小设置为64×64且不支持一个预测单元同时参考两个参考帧时，采用表1～表23所示的语法元素安排方案，语法元素存储装置内将残差语法元素和非残差语法元素分开存放，分别用不同的存储策略如下：
1)针对残差语法元素，由于残差的待编码语法元素的生成较为复杂，这部分工作在熵编码内部完成，语法元素存储装置只存储含有非零系数4×4变换子块的原始残差数据。残差数据位宽为16比特，为此，一个大小为64×64的编码树单元的残差语法元素的数据量最多为64×64×1.5×16/256×256＝384×256比特(残差语法元素数据量≦384×256比特)；在实际编码场景中，往往大部分残差数据等于0，只有少部分残差数据非零；于本发明中，可以采用本领域常见的无损压缩手段进行残差数据的压缩；
2)针对非残差语法元素，在帧内预测模式下，最多需要使用1个表1内容、1个表2内容、1个表3内容、64个表4内容、64个表7内容(每4个表7可以合并成一个64比特)、6个表16内容(4个亮度和两个色度)和96个表21内容(每4个表21可以合并成一个64比特)共需要233项，113×64比特(非残差语法元素数据量≦113×64比特)；在帧间预测模式下，最多需要使用1个表1内容、1个表2内容、1个表3内容、64个表5内容、64个表6内容、64个表7内容(每4个表7可以合并成一个64比特)、6个表16内容(4个亮度和两个色度)和96个表21内容(每4个表21可以合并成一个64比特)共需要297项,177×64比特；为此一个大小为64×64的编码树单元的非残差语法元素的数据量最多为177×64比特(非残差语法元素数据量≦177×64比特)。
本发明表1～表17的语法元素安排是在结合所有语法元素编码顺序的基础上完成的，此方案在充分考虑压缩表征语法元素所需要数据量的同时兼顾了其他相关模块写入语法元素和熵编码模块读取语法元素时足够简单。在大多数的H.265编码方案中，编码器采用编码树单元级流水，此时，存储语法元素装置应该至少能够缓存一个编码树单元的所有语法元素才能够保证流水线顺利执行。在实际编码场景中，一个编码树单元所占用的数据量通常远小于384×256+177×64比特，为此，可以认为一般情况下，使用384×256比特的内存来存放残差数据、使用177×64比特的内存来存放非残差数据可以缓冲多个编码树单元的语法元素包。
在应用本发明的熵编码***时，还可以通过一些手段减小残差数据和非残差数据的最大数据量来压缩存储语法元素装置的内存开销，比如：
1)设置编码树单元的大小最大为32×32，残差数据的最大数据量变成32×32×1.5×16/256×256＝96×256比特，而非残差数据的最大数据量变成48×64比特，则内存开销约等于前述编码树单元级流水的1/4；或者
2)在编码器的流水中，若熵编码不单独占用一级流水而与其他输出语法元素到语法元素存储装置的模块共用一级流水，则可将存储语法元素装置当一个缓存使用，同时结合编码器编码能力、支持的特性和模式选择的一些策略来确定残差数据和非残差数据的最大数据量。
所述熵编码控制装置2用于从语法元素存储装置内读取语法元素、控制编码流程、管理相邻块信息，以及根据H.265官方标准201304版7.3.8节的描述，按顺序发起各种语法元素的二值化指令。
于本发明熵编码***中，部分语法元素可直接由所述熵编码控制装置2完成，例如：1)采用Fixed-length(FL)binarization(定长二值化)进行二值化的cu_skip_flag、pred_mode_flag、pcm_flag等；以及2)一些必须单独完成二值化，例如part_mode、intra_chroma_pred_mode和inter_pred_idc等。其他的需要执行复杂的二进制化操作的语法元素则在二值化装置3中单独处理。
此外，因应实际应用场景需求和便利，类似于残差待编码语法元素的处理方法，部分非残差待编码语法元素亦不直接从所述语法元素存储装置1中获得，而是在熵编码控制装置2内部计算获得，例如prev_intra_luma_pred_flag、mpm_idx、rem_intra_luma_pred_mode和intra_chroma_pred_mode，所述四种待编码语法元素通过从所述语法元素存储装置1中存储的intra_pred_mode_y和intra_pred_mode_c计算获得；其是因为熵编码控制装置2在计算残差扫描模式时，需要使用亮度的帧内预测模式，如果语法元素存储装置1直接存储所述四种待编码语法元素，熵编码控制装置2需要还原出所有帧内预测模式；故考虑到计算过程尚不算复杂，对熵编码控制装置2吞吐率影响不大，直接从语法元素存储装置1中获得帧内预测模式也有利于相邻编码单元的预测模式的维护，并可进一步简化负责写入所述四种待编码语法元素模块的运算复杂度，令所述四种待编码语法元素由熵编码控制装置2计算获得。
其中，在前述语法元素存储装置1中的非残差语法元素存储策略中，为了最大程度地压缩硬件开销，将4个表7或者4个表21合并成一个64比特，会导致在进行语法元素读取时需要先确定每一个16×16数据块是否存在表7或者表21，因此，在表1中加入tt_flag来表征编码树单元中的每一个16×16块否存在transform_tree()，加入rf_y_flag来表征编码树单元中的每一个亮度16×16块是否存在残差编码，加入rf_cb_flag来表征编码树单元中的每一个Cb色度16×16块是否存在残差编码，加入rf_cr_flag来表征编码树单元中的每一个Cr色度16×16块是否存在残差编码。
所述二值化装置3用于接收熵编码控制装置2发送来的二值化指令，按照H.265官方标准201304版9.3.3节，将所有待编码语法元素进行二值化，确定对应的所有Bin的模式(Regular或Bypass)、Bin值、Regular Bin的上下文地址或Bypass Bin的长度，将前述信息打包成指令发送到所述编码指令队列装置4。具体的，所述二值化装置3接收所述熵编码控制装置2的二值化指令后，对所对应的语法元素执行相应的二值化操作，主要包括了Truncated Rice(TR)binarization(截断莱斯二值化)、k-th order Exp-Golomb(EGk)binarization(K阶指数哥伦布二值化)等各种较为通用的二值化操作以及其他一些较复杂的需要单独处理的语法元素的二值化操作。
所述编码指令队列装置4用于缓存所述二值化装置3发出的编码指令，匹配所述二值化装置3和所述基于上下文自适应算术编码引擎装置6的编码速度。具体的，本发明的编码指令队列装置4主要用于缓存熵编码控制装置2和二进制化装置3发送来的编码指令，用以避免码流打包装置7内部打包好的码流未能顺利发送出去，造成码流缓存填满而不能接收所述基于上下文自适应算术编码引擎装置6发送来的算术编码码流，进而导致前一级的编码控制装置也必须停止进行编码；亦即，通过在二值化装置3与上下文管理与维护装置5之间设置编码指令队列装置4，能够在码流输出受阻时，提供缓冲存储的空间，使前一级的编码控制装置不受影响地正常运作。
值得注意的是，当所述上下文管理与维护装置5和基于上下文自适应算术编码引擎装置6处理指令的速度能达到一个周期完成一个Regular Bin编码时，在考虑避免码流输出受阻的情况时，比较于熵编码***中设置编码指令队列装置4用以缓存编码指令，以及在所述流码打包装置7中增大码流缓冲空间两个方案，当后者的代价更小时，所述编码指令队列装置4是可以从本发明熵编码***中删除的，并改由所述增大的码流缓冲空间提供缓存功能，以确保前一级编码控制装置码流输出受阻时仍能正常运作。其中，由于所述码流缓冲空间太小时容易造成编码堵塞，太大则容易造成面积浪费，因此，所述码流缓冲空间的存储容量范围具体可视实际使用需求进行调整；于本发明中兹举一实施例说明，例如，2～3个总线Burst数据空间，即码流采用Burst Size为8，总线为32比特的写操作输出的，则设置缓冲空间为2×8×32～3×8×32＝16×32Bit～24×32Bit。
此外，当所述上下文管理与维护装置5和所述基于上下文自适应算术编码引擎装置6处理指令的速度能达到一个周期完成多个Regular Bin编码时，由于二值化装置3所需要处理的语法元素种类繁多，且二值化类型各不相同，生成的编码指令速度往往是不均匀的，而需要所述编码指令队列装置4来匹配所述二值化装置3的编码速度和后级模块(上下文管理与维护装置5、基于上下文自适应算术编码引擎装置6)的编码速度，于此情况下，所述编码指令队列装置4的重要性将相当明显。
所述上下文管理与维护装置5用于在每一个核内维护一套上下文内容，在编码的过程中不断读取和更新上下文内容，将所述编码指令队列装置4发送来的算术编码指令翻译成所述基于上下文自适应算术编码引擎装置6能理解的指令以进行算术编码，进而输出相应的算术编码码流。具体地，所述上下文管理与维护装置5包含一个大小为155×7比特的双端口RAM(片内随机访问存储单元)用于存储上下文内容。其中，所述上下文管理与维护装置5在多数编码模式下，只需要在启动slice编码(条带编码)前，从所述上下文初始值存储装置9获取初始值；但在波前编码模式(Wavefront parallel processing，WPP)下，所述上下文管理与维护装置5在启动一行编码树单元的编码前，必须先从所述核外模块B的上下文初始值存储装置9获取初始值，并且在执行前两个编码树单元的编码过程中，需要将更新后的上下文内容输出到所述上下文初始值存储装置9中。
此外，在正常的编码流水中，若当前执行Regular Bin编码，则所述上下文管理与维护装置5读取当前上下文地址的内容、将其输出到所述基于上下文自适应算术编码引擎装置6并更新该上下文地址的内容；若当前执行Bypass Bin编码，则所述上下文管理与维护装置5直接将该指令输出到所述基于上下文自适应算术编码引擎装置6，不需要做任何上下文内容的更新。
所述基于上下文自适应算术编码引擎装置6用于接收所述上下文管理与维护装置5发送的算术编码指令，所述基于上下文自适应算术编码引擎装置6具有一算术编码内部状态寄存器61，所述基于上下文自适应算术编码引擎装置6依据所述算术编码指令更新所述算术编码内部状态寄存器61，以输出相应的算术编码码流。具体地，所述基于上下文自适应算术编码引擎装置6包括对Regular Bin、BypassBin和Terminate Bin的编码，所述内部状态寄存器61跟随所述算术编码指令进行更新，最后输出算术编码码流，在完成一个条带编码的时候返回一个编码结束指令至所述上下文管理与维护装置5。
所述流码打包装置7用于接收所述外部控制器10配置的头信息码流和所述基于上下文自适应算术编码引擎装置6输出的算术编码码流，拼接成完整的最终码流输出。
所述上下文初始化控制装置8包含CABAC编码引擎初始化所需要三种不同的CABAC初始化类型的全部参数，结合所述外部控制器10配置的slice_qp(条带量化参数)，生成CABAC编码引擎的上下文初始化数据；所述上下文初始化控制装置8内包含一个大小为465×8比特的ROM(片内只读存储器)，用于存储初始化参数。具体地，在启动新的slice编码之前要先启动所述上下文初始化控制装置8，令所述上下文初始化控制装置8从ROM编码树单元中读取初始化参数，结合所述外部控制器10配置的slice_qp(条带量化参数)，计算出上下文初始化数据并输出到所述上下文初始值存储装置9。
所述上下文初始值存储装置9用于存储编码器内所有编码核的CABAC编码引擎的初始化时所需要的上下文内容；所述上下文初始值存储装置9包含一个单端口RAM(片内随机访问存储单元)，深度为155，数据位宽为7比特。具体地，在所述上下文初始化控制装置8输出初始化参数或者任何一个核在输出上下文内容时(此时为WPP模式下，执行前两个编码树单元时的上下文更新操作)将数据存入所述上下文初始值存储装置9的存储单元中。
是以，通过前述本发明基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***及其编码方法，在采用55nm工艺实现，综合时钟频率可以达到250MHz，面积约为8.6万门。在码率不同的码率下，本发明实施例得到的熵编码的性能如下：
以下汇整本发明采用的表1～表23语法元素表格。
表1 slice_segment_data()和coding_quadtree()层语法元素列表
表2 sao()层亮度相关语法元素列表
注1：SAO的EO和BO模式是互斥的，为此27:26可以复用
表3 sao()层色度相关语法元素列表
注1：SAO的EO和BO模式是互斥的，为此27:26可以复用
表4 帧内预测模式下coding_unit()层语法元素列表
表5 帧间预测模式下coding_unit()、prediction_unit()和mvd_coding()层L0相关语法元素列表
注1：只有当[13]等于1时，[16:14]才表征merge_idx
表6 帧间预测模式下coding_unit()、prediction_unit()和mvd_coding()层L1相关语法元素列表
注1：只有当[13]等于1时，[16:14]才表征merge_idx
表7 编码单元大小为8×8时transform_unit()和transform_tree()层语法元素列表
字段 名称 说明
5:0 cu_qp_delta_abs QpDelta绝对值
6 cu_qp_delta_sign_flag QpDelta符号
11:8 cbf_luma 4×4变换块的cbf_luma
12 split_transform_flag 8×8变换块的split_transform_flag
13 cbf_luma 8×8变换块的cbf_luma
14 cbf_cb 8×8变换块的cbf_cb
15 cbf_cr 8×8变换块的cbf_cr
表8 编码单元大小为16×16时transform_unit()和transform_tree()层语法元素列表
表9 编码单元大小为32×32时transform_unit()和transform_tree()层语法元素列表一
字段 名称 说明
4:0 cu_qp_delta_abs QpDelta绝对值
5 cu_qp_delta_sign_flag QpDelta符号
12 split_transform_flag 32×32变换块的split_transform_flag
13 cbf_luma 32×32变换块的cbf_luma
14 cbf_cb 32×32变换块的cbf_cb
15 cbf_cr 32×32变换块的cbf_cr
19:16 split_transform_flag 16×16变换块的split_transform_flag
23:20 cbf_luma 16×16变换块的cbf_luma
27:24 cbf_cb 16×16变换块的cbf_cb
31:28 cbf_cr 16×16变换块的cbf_cr
表10 编码单元大小为32×32时transform_unit()和transform_tree()层语法元素列表二
字段 名称 说明
15:0 split_transform_flag 8×8变换块的split_transform_flag
31:16 cbf_luma 8×8变换块的cbf_luma
47:32 cbf_cb 8×8变换块的cbf_cb
63:48 cbf_cr 8×8变换块的cbf_cr
表11 编码单元大小为32×32时transform_unit()和transform_tree()层语法元素列表三
字段 名称 说明
63:0 cbf_luma 4×4变换块的cbf_luma
表12 编码单元大小为64×64时transform_unit()和transform_tree()层语法元素列表一
字段 名称 说明
4:0 cu_qp_delta_abs QpDelta绝对值
5 cu_qp_delta_sign_flag QpDelta符号
12 split_transform_flag 64×64变换块的split_transform_flag
13 cbf_luma 64×64变换块的cbf_luma
14 cbf_cb 64×64变换块的cbf_cb
15 cbf_cr 64×64变换块的cbf_cr
19:16 split_transform_flag 32×32变换块的split_transform_flag
23:20 cbf_luma 32×32变换块的cbf_luma
27:24 cbf_cb 32×32变换块的cbf_cb
31:28 cbf_cr 32×32变换块的cbf_cr
表13 编码单元大小为64×64时transform_unit()和transform_tree()层语法元素列表二
字段 名称 说明
15:0 split_transform_flag 16×16变换块的split_transform_flag
31:16 cbf_luma 16×16变换块的cbf_luma
47:32 cbf_cb 16×16变换块的cbf_cb
63:48 cbf_cr 16×16变换块的cbf_cr
表14 编码单元大小为64×64时transform_unit()和transform_tree()层语法元素列表三
字段 名称 说明
15:0 split_transform_flag 8×8变换块的cbf_luma
31:16 cbf_luma 8×8变换块的cbf_cb
47:32 cbf_cb 8×8变换块的cbf_cr
63:48 cbf_cr 8×8变换块的cbf_luma
表15 编码单元大小为64×64时transform_unit()和transform_tree()层语法元素列表四
字段 名称 说明
63:0 cbf_luma 4×4变换块的cbf_luma
表16 32×32块的residual_coding()层语法元素
字段 名称 说明
63:0 transform_skip_flag 4×4变换子块是否执行DCT/DST变化标志
表17 当前变换块的大小为32×32时residual_coding()层语法元素列表一
字段 名称 说明
3:0 last_sig_coeff_x_prefix 当前块最后一个非零系数X坐标前缀值
6:4 last_sig_coeff_x_suffix 当前块最后一个非零系数X坐标后缀值
11:8 last_sig_coeff_y_prefix 当前块最后一个非零系数Y坐标前缀值
14:12 last_sig_coeff_y_suffix 当前块最后一个非零系数Y坐标后缀值
表18 当前变换块的大小为32×32时residual_coding()层语法元素列表二
字段 名称 说明
63:0 sub_block_flag 4×4变换子块是否为全0标志
表19 当前变换块的大小为16×16时residual_coding()层语法元素列表
字段 名称 说明
2:0 last_sig_coeff_x_prefix 当前块最后一个非零系数X坐标前缀值
4:3 last_sig_coeff_x_suffix 当前块最后一个非零系数X坐标后缀值
10:8 last_sig_coeff_y_prefix 当前块最后一个非零系数Y坐标前缀值
12:11 last_sig_coeff_y_suffix 当前块最后一个非零系数Y坐标后缀值
47:32 sub_block_flag 4×4变换子块是否为全0标志
表20 当前变换块的大小小于16X16时residual_coding()层语法元素列表
表21 当前变换块的大小为8X8时表20中的residual_coding_8x8_se_x内容
字段 名称 说明
2:0 last_sig_coeff_x_prefix 当前块最后一个非零系数X坐标前缀值
3 last_sig_coeff_x_suffix 当前块最后一个非零系数X坐标后缀值
6:4 last_sig_coeff_y_prefix 当前块最后一个非零系数Y坐标前缀值
7 last_sig_coeff_y_suffix 当前块最后一个非零系数Y坐标后缀值
11:8 sub_block_flag 4×4变换子块是否为全0标志
表22 当前变换块的大小小于8×8时表20中的residual_coding_8x8_se_x内容
字段 名称 说明
3:0 residual_coding_4x4_se_0 4×4子块0的残差语法元素
7:4 residual_coding_4x4_se_1 4×4子块1的残差语法元素
11:8 residual_coding_4x4_se_2 4×4子块2的残差语法元素
15:12 residual_coding_4x4_se_3 4×4子块3的残差语法元素
表23 当前变换块的大小为4×4时表22中的residual_coding_4x4_se_x内容
以上结合附图、表格及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***，包括核外模块及多个核内模块，所述核外模块用于初始化上下文，所述核外模块包括上下文初始化控制装置及上下文初始值存储装置；其特征在于，所述核内模块包括：
语法元素存储装置，用于存储待编码语法元素，所述语法元素包括非残差语法元素及残差语法元素；
熵编码控制装置，用于从所述语法元素存储装置内部读取语法元素、控制编码流程、管理相邻块信息和发送二值化指令；
二值化装置，用于接收并依据所述熵编码控制装置输出的二值化指令对所述待编码语法元素进行二值化，以形成编码指令输出；
上下文管理与维护装置，通过所述核外模块进行上下文初始化，并用于在编码过程中持续读取和更新上下文内容，接收并翻译所述编码指令形成算术编码指令；
基于上下文自适应算术编码引擎装置，用于接收并依据所述上下文管理与维护装置发送的算术编码指令进行算术编码，以输出相应的算术编码码流；
流码打包装置，用于接收外部控制器配置的头信息码流以及所述基于上下文自适应算术编码引擎装置输出的算术编码码流，所述头信息码流及所述算术编码码流通过流码打包装置拼接形成一最终码流输出。
2.根据权利要求1所述的基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***，其特征在于：
所述语法元素存储装置具有残差语法存储单元及非残差语法存储单元；
所述残差语法元素通过H.265熵编码以4×4块为单元进行编码，令拥有非零系数的4×4原始残差数据按照编码顺序存储于所述残差语法存储单元；所述残差语法元素的数据量≦384×256比特；
所述非残差语法元素依据H.265标准的编码顺序存储于所述非残差语法存储单元；所述非残差语法元素在帧内预测模式下的数据量≦113×64比特，在帧间预测模式下的数据量≦177×64比特。
3.根据权利要求1所述的基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***，其特征在于：
所述二值化装置与所述上下文管理与维护装置之间具有一编码指令队列装置连接，所述编码指令队列装置用于接收及缓存所述二值化装置输出的编码指令并输出至所述上下文管理与维护装置，及/或用于匹配所述二值化装置与所述基于上下文自适应算术编码引擎装置的编码速度。
4.根据权利要求1所述的基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***，其特征在于：所述流码打包装置的码流缓冲空间为16×32～24×32比特。
5.根据权利要求1所述的基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***，其特征在于：
所述上下文管理与维护装置包含一具有155×7比特的双端口RAM，用于存储上下文内容；
所述上下文管理与维护装置在启动条带编码前，从所述核外模块的上下文初始值存储装置获取初始值；
所述上下文管理与维护装置在波前编码模式时，在启动一行编码树单元的编码前，先从所述核外模块的上下文初始值存储装置获取初始值，并且在执行前两个编码树单元的编码过程中，将更新后的上下文内容输出到所述上下文初始值存储装置中；
所述上下文管理与维护装置在执行常规二进制字符串编码及旁路二进制字符串编码时，用于读取当前上下文地址的内容，将所述当前上下文地址的内容输出到所述基于上下文自适应算术编码引擎装置，并在执行常规二进制字符串编码时进一步更新所述上下文地址的内容。
6.根据权利要求1所述的基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***，其特征在于：
所述基于上下文自适应算术编码引擎装置具有一算术编码内部状态寄存器，所述基于上下文自适应算术编码引擎装置依据所述算术编码指令更新所述算术编码内部状态寄存器，以输出相应的算术编码码流；所述基于上下文自适应算术编码引擎装置在完成一个条带编码的时候返回一个编码结束指令至所述上下文管理与维护装置。
7.根据权利要求1所述的基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***，其特征在于：
所述上下文初始化控制装置，包含CABAC编码引擎初始化所需要三种不同的CABAC初始化类型的全部参数，用于结合所述外部控制器配置的条带量化参数(slice_qp)，生成CABAC编码引擎的上下文初始化数据；所述上下文初始化控制装置内包含一465×8比特的ROM，用于存储所述上下文初始化数据；
所述上下文初始值存储装置，用于存储编码器内所有编码核的CABAC编码引擎在初始化时所需要的上下文内容；所述上下文初始值存储装置包含一深度为155及数据位宽为7比特的单端口RAM。
8.根据权利要求1所述的基于视频压缩编码标准H.265的熵编码***，其特征在于：
所述二值化装置输出的编码指令信息包括对应所述待编码语法元素的所有二进制字符串的模式信息、二进制值信息、常规二进制字符串的上下文地址信息及/或旁路二进制字符串长度信息；该些信息经打包后形成所述编码指令信息输出。
9.一种基于视频压缩编码标准H.265的熵编码方法，其特征在于，所述方法步骤包括：
1)将残差语法元素和非残差语法元素分开存储；使用不超过384×256比特的内存存放残差数据，使用不超过177×64比特的内存存放非残差数据；
2)根据H.265标准，按顺序发起各种语法元素的二值化指令；
3)按照所述二值化指令将对应的语法元素执行相应的二值化操作；
4)缓存步骤2)及步骤3)形成的编码指令，匹配前级模块与后级模块的编码速度；
5)在每一个编码核内维护一套上下文内容，在编码过程中持续读取所述上下文内容，并存储及/或更新所述上下文内容；
6)根据所述上下文内容进行编码，以形成算术编码码流输出；
7)将头信息码流与所述算术编码码流拼接形成最终码流输出；
其中，执行所述基于视频压缩编码标准H.265的熵编码方法的***，是由编码器核内模块和编码器核外模块两部分组成；所述核内模块包括：语法元素存储装置、熵编码控制装置、二值化装置、编码指令队列装置、上下文管理与维护装置、基于上下文自适应算术编码引擎装置；所述核外模块包括：上下文初始化控制装置和上下文初始值存储装置；实现熵编码***时，每个核需要一套所述核内模块，整个编码器只需要一套核外模块；在启动条带编码之前，由外部控制器先发送指令到核外的上下文初始化控制装置，完成核外的上下文初始值存储装置内存储单元的初始化操作，在启动各个核内模块分别进行各行的编码之前，由外部控制器先发送指令到核内模块的上下文管理与维护装置，完成上下文管理与维护装置中的存储单元的初始化操作，之后再启动各个核内模块执行当前行的编码工作。
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