第51卷第8期2023年8月Vol.51No.8August2023华南理工大学学报（自然科学版）JournalofSouthChinaUniversityofTechnology（NaturalScienceEdition）基于FPGA的HEVC熵编码语法元素硬件加速设计林志坚黄萍郑明魁†陈平平（福州大学物理与信息工程学院，福建福州350108）摘要：高效视频编码标准（HEVC/H.265）是目前国际市场上广泛采用的视频编码标准。基于上下文自适应二进制算术编码（CABAC）作为HEVC熵编码的核心编码方式，通过建立更加精准的概率模型，提高了算术编码的压缩效率。此外，HEVC定义了更多种类的语法元素并建立更复杂的编码结构，进一步减少信息冗余，从而降低了码率。然而，语法元素作为CABAC的输入，其预处理过程的高复杂性，增加了硬件并行难度，导致熵编码硬件的吞吐率难以提高，成为HEVC编码器实现更高分辨率实时编码的瓶颈之一。为了进一步加快熵编码模块的速度，本文设计了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的高吞吐量CABAC熵编码架构。该架构提出的预头信息编码、上下文模型初始化和编码单元（CU）结构优化策略，可以加快语法元素的产生，以供自适应二进制算术编码器使用；通过高效的残差编码架构和部分上下文索引流水计算方案，在保持高吞吐量的同时，可以减少由复杂计算带来的路径延迟，提高工作频率。本设计使用90nm标准单元库进行综合，共使用了2.099×104个逻辑门数，工作频率可以达到200MHz。本文对HEVC官方提供的视频序列进行仿真测试，统计了在不同量化参数（QP）下编码1个编码树单元（CTU）所需要的时间，实验统计数据表明，本文设计使得编码1个CTU的时间平均节省了38.2%。关键词：熵编码；CABAC；FPGA；吞吐率；语法元素中图分类号：TP391.4文章编号：1000-565X（2023）08-0110-08随着智能手机和短视频的普及，视频在全网数据流量占比已接近70%。2013年，为了满足人们对视频更高质量的要求，国际电联（ITU）正式批准通过了高效视频编码（HEVC/H.265）标准，该标准较高级视频编码（AVC/H.264）标准的编码效率大约提高50%［1］。编码效率的提升，降低了对视频传输和存储的带宽要求［2］，因此HEVC可以支持4k和8k的分辨率［3］。熵编码是HEVC的最后一个环节，可以很大程度压缩视频的熵冗余。相较于AVC/H.264，HEVC保留了唯一的熵编码方式——上下文自适应二进制算术编码（CABAC），用于编码片数据（Slicedata）。虽然CABAC具有编码效率的优势，但其复杂度也成倍增加［4］。目前，普遍的CABAC硬件设计1个时钟周期doi：10....
