[发明专利]一种算术编码器及编码方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字视频编解码技术领域，尤其涉及一种AVS高级熵编码器及编码方法。

背景技术

视频编码技术与视频编码标准是包括数字电视、网络视频、手机电视、MP3等音视频产业的技术基础。目前音视频产业可以选择的信源编码标准有四个：MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4AVC（简称AVC，也称JVT、H.264）、AVS，其中AVS（Audio Video coding Standard，音视频编码标准）是《信息技术先进音视频编码》系列标准的简称，是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准，也是数字音视频产业的共性基础标准。这些信源编码标准普遍采用一种混合编码方法以去除庞大的信源数据间的冗余信息，如:空间冗余，时间冗余，信息熵冗余。

熵编码是视频编码系统必不可少的一个关键环节，它负责利用信息熵原理去除信息熵冗余，已达到数据压缩的目的。其中，MPEG-2采用霍夫曼编码(Huffman Code)，H.264和AVS采用基于上下文自适应变长编码(CAVLC)和基于上下文自适应二进制算术编码(CABAC)。CABAC是一种新型的高效熵编码方法，它的设计基于二进制化、上下文建模、二进制算术编码等3个步骤。CABAC以片为编码周期，将一整片的语法元素二进制化得到的bin进行区间迭代划分，从而得到一个子区间，然后在这个子区间中任取一个值代表该片语法元素，所以，从平均意义上讲，单独一个bin值编码后得到的bit数可能为分数，克服了CAVLC编码必须为单个符号分配整数码长的码字的缺点，更容易逼近极限熵，获得更高的编码效率，因此，AVS标准将采用CABAC进行编码的编码器称为高级熵编码器。但是，CABAC的计算复杂性明显高于CAVLC。

为了能实时的编码高清视频，我们需要增加编码器的吞吐率，同时必须兼顾系统延迟，目前的算术编码器，大多关注于吞吐率，对系统延迟关注得较少。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的在于提供一种包括：front-buffer设计，算法结构联合优化、muti-bin处理技术以及混合上下文存储机制的编码器及编码方法。

在算术编码器的设计当中，由于二进制转换模块（binarizer）可以通过同时处理多个语法元素产生大量的二进制序列（bin），因而，二进制算术编码模块（BAC）的吞吐率成为了设计的瓶颈。为增加吞吐率，减小延迟，我们采用宏块级流水的方案，但是，由于一个宏块经过二进制转换后产生的二进制序列（bin）数会在很大的一个范围内波动，而二进制算术编码模块（BAC）在单位时间内处理的二进制序列（bin）数有限，于是我们在二进制转换模块（binarizer）和二进制算术编码模块（BAC）之间加入了一个buffer进行缓冲。当然，buffer越大，二进制算术编码模块（BAC）的输入越平滑，设计起来更容易，不过这样带来的负面影响是系统的延迟越大，同时芯片面积也变大了。于是，我们需要做一个折中，不难证明，在图3中，如果对于任意的起始时间t，在一个固定的时间段T₀内，存在一个输入buffer的最大总量Q₀，那么我们只需将buffer的大小设置为Q₀，并且将buffer的输出设为即可保证buffer永远不会上溢。

本发明构造的二进制算术编码模块（BAC）的采用固定2bins/cycle吞吐率的基本结构。二进制算术编码模块（BAC）的关键路径是迭代过程中LPS中low的计算，因而该设计的难点在于连续出现两个LPS如何在一个时钟周期内处理完成。通过观察我们发现，range的迭代计算只与自身有关，并且对它的操作时间远远小于对low的操作时间，所以，如图5所示，我们可以在第一次迭代计算完range后，提前完成low的一些计算步骤，这就可以减少第二次迭代计算时low的操作时间。此外，在对数域，range由整数部分和小数部分来表示，当LPS出现时，我们对range的整数部分进行重整化操作，这可以简化第二次迭代计算中low的计算。通过对这两个特征的有效利用，我们得到了一个固定2bins/cycle吞吐率，系统延迟较1bin/cycle的编码器少33%的基本框架。