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56《有線電視技術》2019年第6期總第354期

技術

前沿

1引言

目前，無論是在人們的娛樂生活，

如電影、電視劇、游戲畫面，還是在工

作領域，如視頻會議[1]、視頻監控，人

們對視頻質量的要求越來越高，特別是

視頻傳輸的實時性。先進的HEVC編

碼器可以滿足這樣的要求[2]。

HEVC的重構環如圖1所示，包

括變換、量化、反變換和反量化以及

像素預測。在現有的硬件實現中，

DCT（離散余弦變換）變換通常采用

蝶形算法，對殘差進行按行處理。同時，

由于DCT變換矩陣元素具有對稱性[5]，

小矩陣嵌入在大矩陣當中的特點，按

行進行變換可以有效地減少變換模塊

的面積。

采用流水線設計，量化的結果也

是每個周期輸出一行。變換會對殘差

大幅壓縮，經過量化環節之后，高頻

分量的變換塊量化值全等于零。CBF

的作用是用一個標志位表示變換單元

的量化值是否全為零。在熵吝嗇是什么意思 編碼環節

中，直接對全零塊標志位編碼，不需

對這些模塊的殘差值進行逐個讀取，

從而減少熵編碼的計算復雜度，減少

了熵編碼的時鐘周期。

2CBF邏輯分析和表示形式

如圖2所示，HEVC采用四叉樹

編碼結構，在重構過程中，重構的單

元是TU。當前的CU（編碼單元）層

到TU層之間的各層量化值是否全等

于零使用CBF表示。在圖2中，紅色

方框表示CU的劃分，黑色方框表示

該TU進一步向下劃分。當d祝福文案 epth=0時，

塊大小為6464，depth每增加1，塊

大小變為原來的1/4，限于篇幅，圖2

只畫出了CTU為6464左上部分。

為了使CBF的輸出表示比較簡單，

適合熵編碼模塊獲取，櫻花寓意 本文將CBF以

44為單位進行存放，因為CTU的大

小為6464，得到的CBF表格大小為

1616。CBF用五位來表示，分別表

示不同深度的各個變換塊的量化值是

否全部等于零。

CBF可以用二進制表示為：

CBF(index)=5’bX

4

X

3

X

2

X

1

X

0

（1）

其中：index為每一塊的左上角序

號，即塊位置，取值為[1,256]；5’表示

五位；b表示二進制；X表示變量。如

果CU和TU之間每個塊的量化值等于0，

HEVC語法元素CBF的算法研究及硬件設計＊

楊召文楊秀芝福州大學

摘要：HEVC（HighEfficiencyVideoCoding）是目前主流的編碼器，能夠支持1080p的全高清視頻，也支

持4K、8K的超高清視頻，可以賀知章被稱為什么 滿足人們對視頻質量的要求。一些應用場合，比如視頻會議、視頻監控等領域，

對視頻編碼的實時性要求比較高，對硬件編碼器的編碼時延有較高要求，然而，計算熵編碼前的編碼塊標志需

要用很多的時鐘周期。針對這個問題，本文對計算CBF（CodingBlockFlag）語法元素提出的硬件設計方法實現

在編碼重構過程中CBF模塊和HEVC的變換量化模塊在時序上匹配，從而減少計算CBF的周期數。

關鍵詞：HEVCFPGA編碼塊標志

圖1CBF模塊與重構各模塊的連接

＊本文受福建省重大科技項目（2017H6009）資助

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《有線電視技術》2019年第6期總第354期

則X等于0，否則等于1。

cu_depth表示編碼單元的劃分深

度，tu_depth表示在編碼單元基礎上

繼續向下劃分的變換單元的劃分深度。

例如，圖2的紅色框線表示一個CU，

里面的黑色框線表示TU的劃分。其中，

index為70的44單元的cu_depth為

1，tu_depth為3。根據公式（1）的定義，

假如該單元的量化值全部等于0，則

當i=1,2,3時，X

i

=0；i=0,4時，X

i

=1。

在HEVC編碼標準的測試模型HM

代碼中，CBF的第0位表示CU塊的

量化值是否全為0，高位的深度在cu_

depth的基礎依次加1，直到tu_depth。

為了和HM的表示形式保持一致，需要

將CBF移位。

CBF

HM

=CBF>>cu_depth（2）

其中，CBF

HM

表示HM代碼的表

示形式，可通過將CBF右移得到HM

的表示形式。

CBF的計算流程見圖3所示。

3CBF硬件總體設計

HM代碼是通過整個CTU的量

化值計算CBF。然而，在硬件實現的

時候，使用HM的算法需要等待整個

CTU的量化值全部計算出來之后才能

計算CBF。通常，如圖4所示，在硬

件實現的結構中，重構包含反變換和

反量化等環節，同時，量化值需要存

放在RAM當中。使用HM的算法，案由 必

然增加讀RAM數據的周期和各個模塊

在整個CTU重構過程中消耗的周期，

不利于視頻編碼的實時性。

CBF硬件模塊的設計，不但要在

時序上和變換量化模塊相匹配，還要

盡可能少的使用芯片資源，因此我們

采用的方法是在每個TU量化輸出的

過程中，以44為單元按行提取TU

塊的全零標志。只有前后模塊在處理

數據的速度上保持一致，才不會增加

時序上的周期等待。這樣既可以減少

計算的周期數，同時可以減少因為等

待而造成的附加控制電路，從而減少

硬件面積，提高電路的主頻。

硬件電路如圖5所示，主要分為

三個部分。

第一部分電路的功能是判斷44

單元的量化值是否全部等于0，該部

分電路主要通過邏輯或實現對44單

元全零標志的判斷。不同塊以及不同

分量的全零標志存儲的地址空間不一

樣，因此該電路需要使用地址選擇器

根據當前變換塊的尺寸以及當前量化

值所屬的分量（用0,1,2表示亮度分量

和色度的兩個分量）以及塊的地址為

44單元的全零標志選取相應的地址

空間。

該部分電路設計的關鍵是地址選

擇器，為了簡化硬件電路，縮短電路

的關鍵路徑，在設計的時候可以使用

卡諾圖對電路進行簡化，并且將電路

設計成非組合的形式。

第二部分電路是通過第一部分得

到的以44為單位的0標志表格計算

88為單元的的0標志，進而依次得

圖2CTU按44單元進行劃分

圖3程序流程圖

58《有線電視技術》2019年第6期總第354期

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圖4CBF模塊和變換量化硬件連接圖

圖5硬件框圖

到1616、3232、6464為單位的

0標志。在計算上一層和下一層的0

標志的時候，可以通過四叉樹的形式

計算。比如圖2中的1、2、17、18四

個單元，上一層的零標志可以通過這

四個單元做或運算得到。

第三部分的電路功能是計算公式

（1）中的X

0

~X

4

，為了方便看圖，

圖5的第三部分的電路圖僅畫了一個

44單元CBF的各位賦值情況。對于

X

i

如果滿足cu_depth<=i<=tu_depth,則

X

i

=CBF_i_x，否則X

i

=0。如果需要得

到和HM代碼中相同的CBF表示形式，

需要右移cu_depth位。

4部分電路的具體實現

4.1不同深度的零標志存儲

在HEVC中，編碼結構是按照四

叉樹結構劃分。在不同的深度中，不

同的塊會有不同的零標志。對此，為

了簡化電路，底層的零標志通過或運

算可以得到上一層的零標志。不同深

度的零標志保存電路，利用二維表進

行存儲，如圖6所示。如果CTU大小

等于64，該存儲電路使用341個1位

的寄存器即可實現對不同的變換塊的

零標志進行存儲。

4.2地址選擇器

DCT變換的時序特點是每個周期

按行輸出TU的變換值。為了能夠保

存正確的深度為4的零標志，需要用

一個信號表示量化值有效。量化值有

效信號通過計數器產生，當啟動信號

有效時，開始計數，并且量化有效信

號高電平有效。

當計數器的值等于該TU的行數

時，表示量化值輸出完成，此時量化

值有效信號置為低電平，表示數據無

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《有線電視技術》2019年第6期總第354期

效。同時，在該周期內，將采集到的

零標志，保存到深度為4的存儲表中。

第一部分電路的地址選擇器和第三部

分的選擇器根據TU在CTU中的位記憶力不好吃什么 置

來進行選擇存儲器的地址。

4.3移位電路

不同深度的零標志是按照二維表

格的形式存放，但是在熵編碼在利用

CBF的時候，低位表示CU層的零標志。

因此，需要將第0位到cu_depth位之

間的數據右移。在硬件電路中，為了

提高主頻，可以利用截位和選擇器實

現移位運算。

5實驗驗證及結論

通過大量的測試驗證，證明本文

模塊能夠完成設計要求。驗證的數據

圖7實驗仿真波形

來源是從HM代碼中獲取輸入和輸出，

然后將輸入送入CBF電路模塊，能夠

得到相同的輸出。圖7是Foreman序

列的第二幀的第39個CTUCBF輸出

的部分數據。

CBF電路模塊在Arria10平臺上

進行測試，得到的主頻為306MHz。

在時序上，由于CBF模塊直接連接

在量化模塊上面，在量化的同時計算

CBF，量化結束后延時5個周期即可

完成CBF的計算。

本文提出的一種按行處理的CBF

硬件計算模塊，可以很好地配合其他

模塊。本模塊的優勢是主頻高，周期少，

對于實施編碼的實時性很有幫助。

參考文獻

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CATV

圖6零標志二維存儲