[发明专利]一种基于H.264的CAVLC编码器的实现方法

说明书

一.技术领域

本发明属于视频编码设计领域，涉及H.264熵编码的集成电路设计技术领域。

二.背景技术

视频编解码技术是当今数字多媒体存储和传输应用的关键技术之一，现有的视频编码国际标准采用的基本方法都是基于块的混合编码方案。所谓“基于块”，指的是首先将一幅图像或视频帧分成矩形的像素集合。块的一般大小为16×16、8×8等，作为编码处理的基本单元。“混合”指的是消除视频每帧之间的时间冗余的运动估计与消除帧内空间冗余的帧内预测以及变换编码结合。视频编码的一般步骤包括预测、变换、量化和熵编码。

熵编码作为视频编码框架中的最后一步，对视频压缩性能有着非常大的影响。视频压缩中常用的熵编码方法有变长编码(Variable Length Coding)和算术编码(Arithmetic Coding)，在最新的视频标准H.264中，其基本档次采用了基于上下文的变长编码(Context-Based Variable Length Coding，CAVLC)。CAVLC主要用于对亮度和色度残差变换、量化后的系数进行编码，而其它一些语法元素则利用哥伦布编码实现。与传统变长编码相比，CAVLC将一个大码表分成许多小码表，利用下下文符号所提供的相关性，为所要编码的符号选择合适的上下文模型(码表)。利用合适的上下文模型，就可以大大降低符号之间的冗余度，但其编码复杂度大大增加了，需要存储码表也大大增加。熵编码模块的运算量和码流速率紧密相关，在高比特率情况下，变换系数编码所占码流占据了所有码流的70％以上，这就意味着，CAVLC模块将承担熵编码大部分的运算量。

CAVLC主要编码原理是通过对编码字符的概率进行估计，选择不同的码表，查得相应的码字和码字，然后对所得码字进行拼接、打包输出。主要步骤包括：扫描、统计、编码三阶段。扫描是指将变换量化后的残差块进行Zig_zag扫描成系数串；统计是指在扫描过程中统计其中的参数(非零系数的数目、拖尾系数数目(+1/-1的数目)、除拖尾系数外的非零系数的幅值、最后一个非零系数前0的数目、每个非零系数前0的数目)，以确定上下文模型的选择；编码阶段就是按选择好的模型对上述参数分别进行编码。对每一个字符进行变长编码，需要两个值来表征：码长(codelength)和码字(codeword)。

H.264的CAVLC编码过程主要分为以下步骤：

(1)对非零系数的数目(TotalCoeff)和拖尾系数数目(TrailingOnes)进行联合编码coeff_token(TotalCoeff，TrailingOnes)；

(2)对每个拖尾系数的符号(Tl_sign)进行编码；

(3)对除拖尾系数外的非零系数的幅值(Level)进行编码；

(4)对最后一个非零系数前0的数目(Total_zero)进行编码；

(5)对每个非零系数前0的个数(Run_before)进行编码。

每个编码过程对应选定的编码码表，其中，对于coeff_token编码，亮度部分有三个变长码表(Num_VLC0-Num_VLC2)和一个定长码表，色度部分有一个变长码表。对Level编码，其最为复杂，有7个变长码表(LEV_VLC0-LEV_VLC6)。其码字可表示为“000000000000001xxxxxx”构造由一个前缀(level_prefix)和后缀(level_suffix)组成。Level编码码字可分为常规码和逃脱码，逃脱码是指那些发生概率很小的字符对应的码字，标准规逃脱码的码长为28，前缀为15。但随着高清视频的发展，像素比特增加至10比特甚至更高，最新标准又扩展了逃脱码的编码方案，最大码长将超过28，前缀可能大于15，也这增加了Level编码的复杂性。对Total_zero和Run_before分别有一个变长码表。由此可见，CAVLC编码使用的码表相当多，直接查找表(Look Up Table，LUT)实现的方法对存储空间来说是个很大的牺牲。

现有方法中，有采用直接映射的方式，造成硬件资源的浪费，且速度不快；有采用状态机输出，虽然资源消耗少，但吞吐量小，只能用于移动环境下低比特率处理。总之，目前实现对CAVLC编码器的装置方法，存在未对速度和面积较好折衷的处理的问题。

三.发明内容

本发明的目的是解决设计CAVLC编码器时速度和面积未能较好折衷的问题。本发明从算法和结构上综合考虑，提出一种高速度、低复杂度的CAVLC编码器结构，实现速度和面积很好折衷。