Projeto da arquitetura de hardware para binarização e modelagem de contextos para o CABAC do padrão de compressão de vídeo H.264/AVC

Abstract

O codificador aritmético binário adaptativo ao contexto adotado (CABAC – Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding) pelo padrão H.264/AVC a partir de perfil Main é o estado-da-arte em termos de eficiência de taxa de bits. Entretanto, o CABAC ocupa 9.6% do tempo total de processamento e seu throughput é limitado pelas dependências de dados no nível de bit (LIN, 2010). Logo, atingir os requisitos de desempenho em tempo real nos níveis mais altos do padrão H.264/AVC se torna uma tarefa árdua em software, sendo necesário então, a aceleração do CABAC através de implementações em hardware. As arquiteturas de hardware encontradas na literatura para o CABAC focam no Codificador Aritmético Binário (BAE - Binary Arithmetic Encoder) enquanto que a Binarização e Modelagem de Contextos (BCM – Binarization and Context Modeling) fica em segundo plano ou nem é apresentada. O BCM e o BAE juntos constituem o CABAC. Esta dissertação descreve detalhadamente o conjunto de algoritmos que compõem o BCM do padrão H.264/AVC. Em seguida, o projeto de uma arquitetura de hardware específica para o BCM é apresentada. A solução proposta é descrita em VHDL e os resultados de síntese mostram que a arquitetura alcança desempenho suficiente, em FPGA e ASIC, para processar vídeos no nível 5 do padrão H.264/AVC. A arquitetura proposta é 13,3% mais rápida e igualmente eficiente em área que os melhores trabalhos relacionados nestes quesitos.

Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding (CABAC) adopted in the H.264/AVC main profile is the state-of-art in terms of bit-rate efficiency. However, CABAC takes 9.6% of the total encoding time and its throughput is limited by bit-level data dependency (LIN, 2010). Moreover, meeting real-time requirement for a pure software CABAC encoder is difficult at the highest levels of the H.264/AVC standard. Hence, speeding up the CABAC by hardware implementation is required. The CABAC hardware architectures found in the literature focus on the Binary Arithmetic Encoder (BAE), while the Binarization and Context Modeling (BCM) is a secondary issue or even absent in the literature. Integrated, the BCM and the BAE constitute the CABAC. This dissertation presents the set of algorithms that describe the BCM of the H.264/AVC standard. Then, a novel hardware architecture design for the BCM is presented. The proposed design is described in VHDL and the synthesis results show that the proposed architecture reaches sufficiently high performance in FPGA and ASIC to process videos in real-time at the level 5 of H.264/AVC standard. The proposed design is 13.3% faster than the best works in these items, while being equally efficient in area.