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56《有线电视技术》2019年第6期总第354期

技术

前沿

1引言

目前，无论是在人们的娱乐生活，

如电影、电视剧、游戏画面，还是在工

作领域，如视频会议[1]、视频监控，人

们对视频质量的要求越来越高，特别是

视频传输的实时性。先进的HEVC编

码器可以满足这样的要求[2]。

HEVC的重构环如图1所示，包

括变换、量化、反变换和反量化以及

像素预测。在现有的硬件实现中，

DCT（离散余弦变换）变换通常采用

蝶形算法，对残差进行按行处理。同时，

由于DCT变换矩阵元素具有对称性[5]，

小矩阵嵌入在大矩阵当中的特点，按

行进行变换可以有效地减少变换模块

的面积。

采用流水线设计，量化的结果也

是每个周期输出一行。变换会对残差

大幅压缩，经过量化环节之后，高频

分量的变换块量化值全等于零。CBF

的作用是用一个标志位表示变换单元

的量化值是否全为零。在熵吝啬是什么意思 编码环节

中，直接对全零块标志位编码，不需

对这些模块的残差值进行逐个读取，

从而减少熵编码的计算复杂度，减少

了熵编码的时钟周期。

2CBF逻辑分析和表示形式

如图2所示，HEVC采用四叉树

编码结构，在重构过程中，重构的单

元是TU。当前的CU（编码单元）层

到TU层之间的各层量化值是否全等

于零使用CBF表示。在图2中，红色

方框表示CU的划分，黑色方框表示

该TU进一步向下划分。当d祝福文案 epth=0时，

块大小为6464，depth每增加1，块

大小变为原来的1/4，限于篇幅，图2

只画出了CTU为6464左上部分。

为了使CBF的输出表示比较简单，

适合熵编码模块获取，樱花寓意 本文将CBF以

44为单位进行存放，因为CTU的大

小为6464，得到的CBF表格大小为

1616。CBF用五位来表示，分别表

示不同深度的各个变换块的量化值是

否全部等于零。

CBF可以用二进制表示为：

CBF(index)=5’bX

4

X

3

X

2

X

1

X

0

（1）

其中：index为每一块的左上角序

号，即块位置，取值为[1,256]；5’表示

五位；b表示二进制；X表示变量。如

果CU和TU之间每个块的量化值等于0，

HEVC语法元素CBF的算法研究及硬件设计＊

杨召文杨秀芝福州大学

摘要：HEVC（HighEfficiencyVideoCoding）是目前主流的编码器，能够支持1080p的全高清视频，也支

持4K、8K的超高清视频，可以贺知章被称为什么 满足人们对视频质量的要求。一些应用场合，比如视频会议、视频监控等领域，

对视频编码的实时性要求比较高，对硬件编码器的编码时延有较高要求，然而，计算熵编码前的编码块标志需

要用很多的时钟周期。针对这个问题，本文对计算CBF（CodingBlockFlag）语法元素提出的硬件设计方法实现

在编码重构过程中CBF模块和HEVC的变换量化模块在时序上匹配，从而减少计算CBF的周期数。

关键词：HEVCFPGA编码块标志

图1CBF模块与重构各模块的连接

＊本文受福建省重大科技项目（2017H6009）资助

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技术

前沿

《有线电视技术》2019年第6期总第354期

则X等于0，否则等于1。

cu_depth表示编码单元的划分深

度，tu_depth表示在编码单元基础上

继续向下划分的变换单元的划分深度。

例如，图2的红色框线表示一个CU，

里面的黑色框线表示TU的划分。其中，

index为70的44单元的cu_depth为

1，tu_depth为3。根据公式（1）的定义，

假如该单元的量化值全部等于0，则

当i=1,2,3时，X

i

=0；i=0,4时，X

i

=1。

在HEVC编码标准的测试模型HM

代码中，CBF的第0位表示CU块的

量化值是否全为0，高位的深度在cu_

depth的基础依次加1，直到tu_depth。

为了和HM的表示形式保持一致，需要

将CBF移位。

CBF

HM

=CBF>>cu_depth（2）

其中，CBF

HM

表示HM代码的表

示形式，可通过将CBF右移得到HM

的表示形式。

CBF的计算流程见图3所示。

3CBF硬件总体设计

HM代码是通过整个CTU的量

化值计算CBF。然而，在硬件实现的

时候，使用HM的算法需要等待整个

CTU的量化值全部计算出来之后才能

计算CBF。通常，如图4所示，在硬

件实现的结构中，重构包含反变换和

反量化等环节，同时，量化值需要存

放在RAM当中。使用HM的算法，案由 必

然增加读RAM数据的周期和各个模块

在整个CTU重构过程中消耗的周期，

不利于视频编码的实时性。

CBF硬件模块的设计，不但要在

时序上和变换量化模块相匹配，还要

尽可能少的使用芯片资源，因此我们

采用的方法是在每个TU量化输出的

过程中，以44为单元按行提取TU

块的全零标志。只有前后模块在处理

数据的速度上保持一致，才不会增加

时序上的周期等待。这样既可以减少

计算的周期数，同时可以减少因为等

待而造成的附加控制电路，从而减少

硬件面积，提高电路的主频。

硬件电路如图5所示，主要分为

三个部分。

第一部分电路的功能是判断44

单元的量化值是否全部等于0，该部

分电路主要通过逻辑或实现对44单

元全零标志的判断。不同块以及不同

分量的全零标志存储的地址空间不一

样，因此该电路需要使用地址选择器

根据当前变换块的尺寸以及当前量化

值所属的分量（用0,1,2表示亮度分量

和色度的两个分量）以及块的地址为

44单元的全零标志选取相应的地址

空间。

该部分电路设计的关键是地址选

择器，为了简化硬件电路，缩短电路

的关键路径，在设计的时候可以使用

卡诺图对电路进行简化，并且将电路

设计成非组合的形式。

第二部分电路是通过第一部分得

到的以44为单位的0标志表格计算

88为单元的的0标志，进而依次得

图2CTU按44单元进行划分

图3程序流程图

58《有线电视技术》2019年第6期总第354期

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图4CBF模块和变换量化硬件连接图

图5硬件框图

到1616、3232、6464为单位的

0标志。在计算上一层和下一层的0

标志的时候，可以通过四叉树的形式

计算。比如图2中的1、2、17、18四

个单元，上一层的零标志可以通过这

四个单元做或运算得到。

第三部分的电路功能是计算公式

（1）中的X

0

~X

4

，为了方便看图，

图5的第三部分的电路图仅画了一个

44单元CBF的各位赋值情况。对于

X

i

如果满足cu_depth<=i<=tu_depth,则

X

i

=CBF_i_x，否则X

i

=0。如果需要得

到和HM代码中相同的CBF表示形式，

需要右移cu_depth位。

4部分电路的具体实现

4.1不同深度的零标志存储

在HEVC中，编码结构是按照四

叉树结构划分。在不同的深度中，不

同的块会有不同的零标志。对此，为

了简化电路，底层的零标志通过或运

算可以得到上一层的零标志。不同深

度的零标志保存电路，利用二维表进

行存储，如图6所示。如果CTU大小

等于64，该存储电路使用341个1位

的寄存器即可实现对不同的变换块的

零标志进行存储。

4.2地址选择器

DCT变换的时序特点是每个周期

按行输出TU的变换值。为了能够保

存正确的深度为4的零标志，需要用

一个信号表示量化值有效。量化值有

效信号通过计数器产生，当启动信号

有效时，开始计数，并且量化有效信

号高电平有效。

当计数器的值等于该TU的行数

时，表示量化值输出完成，此时量化

值有效信号置为低电平，表示数据无

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技术

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《有线电视技术》2019年第6期总第354期

效。同时，在该周期内，将采集到的

零标志，保存到深度为4的存储表中。

第一部分电路的地址选择器和第三部

分的选择器根据TU在CTU中的位记忆力不好吃什么 置

来进行选择存储器的地址。

4.3移位电路

不同深度的零标志是按照二维表

格的形式存放，但是在熵编码在利用

CBF的时候，低位表示CU层的零标志。

因此，需要将第0位到cu_depth位之

间的数据右移。在硬件电路中，为了

提高主频，可以利用截位和选择器实

现移位运算。

5实验验证及结论

通过大量的测试验证，证明本文

模块能够完成设计要求。验证的数据

图7实验仿真波形

来源是从HM代码中获取输入和输出，

然后将输入送入CBF电路模块，能够

得到相同的输出。图7是Foreman序

列的第二帧的第39个CTUCBF输出

的部分数据。

CBF电路模块在Arria10平台上

进行测试，得到的主频为306MHz。

在时序上，由于CBF模块直接连接

在量化模块上面，在量化的同时计算

CBF，量化结束后延时5个周期即可

完成CBF的计算。

本文提出的一种按行处理的CBF

硬件计算模块，可以很好地配合其他

模块。本模块的优势是主频高，周期少，

对于实施编码的实时性很有帮助。

参考文献

[1]刘毅,罗军,黄启俊,常胜.HEVC整数

DCT变换与量化的FPGA实现[J].电视技术,

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[3]熊婕.面向多视点视频编码的比特分配

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CATV

图6零标志二维存储