Giải pháp thực thi phần cứng mô đun biến đổi nhị phân dữ liệu ảnh cho bộ mã hóa CABAC trong chuẩn nén video HEVC

Kỹ thuật điện tử

GIẢI PHÁP THỰC THI PHẦN CỨNG MÔ-ĐUN BIẾN ĐỔI
NHỊ PHÂN DỮ LIỆU ẢNH CHO BỘ MÃ HÓA CABAC
TRONG CHUẨN NÉN VIDEO HEVC
Trần Đình Lâm*, Lưu Thị Thu Hồng, Vũ Lê Hà, Nguyễn Mạnh Cường
Tóm tắt: Mã hóa nhị phân thích nghi CABAC (Context Adaptive Binary
Arithmetic Coding) áp dụng trong chuẩn mã hóa video hiệu năng cao HEVC là
phương pháp mã hóa entropy cho hiệu quả mã hóa cao gấp đôi so với chuẩn
H.264/AVC. Mô-đun biến đổi nhị phân (Binarizer) trong CABAC thực hiện biến đổi
dữ liệu ảnh thành chuỗi nhị phân bin string (bins) trước khi được mã hóa thích nghi
theo xác suất. Dữ liệu độ dư thông tin điểm ảnh (residual data) chiếm phần đa
lượng thông tin đầu vào mô-đun Binarizer, từ 63 ÷ 94 %. Vì vậy, hiệu năng xử lý
của Binarizer đối với residual data có ảnh hưởng lớn tới hiệu năng chung của bộ
mã hóa CABAC. Bài báo đề xuất giải pháp thiết kế phần cứng cho mô-đun
Binarizer đối với dữ liệu residual data, cho phép mã hóa các luồng dữ liệu video
chuẩn UHD. Mô-đun Binarizer được thiết kế và mô phỏng trên ngôn ngữ VHDL.
Kết quả mô phỏng cho thấy bộ Binarizer có thể xử lý được các luồng dữ liệu video
chuẩn UHD.
Từ khóa: Chuẩn HEVC; Bộ mã hóa CABAC; Binarizer; Dữ liệu ảnh; Thực thi phần cứng.

1. MỞ ĐẦU
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ số ngày nay cho phép truyền tải các
dịch vụ video số có chất UHD thời gian thực. Chuẩn nén video phổ biến hiện nay,
H.264/AVC đã có nhiều hạn chế trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trên một
nền tảng cơ sở hạ tầng mạng hạn chế về băng thông truyền tải. Chuẩn nén video
hiệu năng cao H.265/HEVC, với hiệu quả nén cao gấp đôi so với H.264/AVC,
được ITU-T công bố năm 2013 nhằm giải quyết những thách thức trong các dịch
vụ truyền video chất lượng cao, thời gian thực trên cơ sở hạ tầng mạng có băng
thông hạn chế [1].
Mã hóa các thông tin

điều khiển chung

Tín hiệu
video

Biến đổi và
lượng tử
Phân chia
thành các CTU

Ước lượng
nội ảnh
Dự đoán
nội ảnh

Chọn chế độ
Intra/Inter

Bù chuyển
động
Ước lượng
chuyển động

Các hệ số
lượng tử

Dữ liệu thông tin
điều khiển

Biến đổi ngược

Dữ liệu dự
đoán nội ảnh

Định dạng tiêu đề
và Mã hóa CABAC

Luồng bit
mã hóa

Phân tích tham Dữ liệu điều
khiển bộ lọc
số bộ lọc
Các bộ lọc
Deblocking, SAO

Dữ liệu
chuyển động

Bộ đệm khung
ảnh đã khôi phục

Tín hiệu sau
khôi phục

H nh 1. Sơ đồ khối chức năng bộ mã hóa video HEVC.
158 T. Đ. Lâm, …, N. M. Cường, “Giải pháp thực thi phần cứng … chuẩn nén video HEVC.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Kiến trúc HEVC được xây dựng theo nguyên lý mã hóa độ dư thông tin trên cơ
sở các phép dự đoán theo không gian (Intra-Picture Prediction) và theo thời gian
(Inter-Picture Prediction) như đã được áp dụng trong chuẩn H.264/AVC [2]. Tuy
vậy, tỷ lệ nén dữ liệu video của HEVC đạt được gần gấp đôi so với chuẩn
H.264/AVC bởi các cải tiến trong hầu hết các mô-đun chức năng thành phần. Sơ
đồ khối chức năng bộ mã hóa video chuẩn HEVC được mô tả trong hình 1 [1].
CABAC là mô-đun chức năng cuối cùng trong kiến trúc mã hóa HEVC, thực
hiện biến đổi các bins dữ liệu đầu vào thành chuỗi bit trước khi ghép vào luồng bit
đầu ra của bộ mã hóa. CABAC cũng đóng góp lớn vào hiệu quả nén chung của
chuẩn HEVC bởi được xây dựng theo nguyên lý mã hóa entropy thông tin, trong
đó lượng thông tin đầu ra được mã hóa một cách thích nghi tùy thuộc vào kết quả
mã hóa thông tin trước đó cũng như thống kê xác suất của thông tin đầu vào hiện
tại. Kiến trúc sơ đồ khối chức năng của bộ mã hóa CABAC được mô tả trong hình
2 [3]. Khối Binarizer có chức năng biến đổi dữ liệu đầu vào thành chuỗi nhị phân
trước khi mã hóa thích nghi bởi khối mã hóa Binary Arithmetic Encoder (BAE)
theo mô hình thống kê xác suất được lưu trong khối Context Modeler.
Cập nhật mô hình ngữ cảnh

Mô hình

Mô hình hóa xác suất
ngữ cảnh

Phần tử
cú pháp

Mã hóa
regular bin

tuyến mã hóa
dữ liệu thường

Biến đổi
nhị phân

Các bít mã

Chuỗi bit mã

bin
tuyến mã hóa dữ
liệu bypass

Mã hóa
bypass bin

Các bit mã

Mã hóa số học nhị phân thích nghi

H nh 2. Sơ đồ khối kiến trúc chức năng bộ mã hóa CABAC.
Tuy hiệu quả mã hóa đạt được cao, việc hiện thực hóa CABAC để có thể xử lý
được các luồng dữ liệu video tốc độ cao gặp nhiều thách thức. Chuẩn HEVC áp
dụng một loạt các cải tiến trong công cụ mã hóa, vì vậy, dữ liệu thông tin đầu vào
CABAC có sự tương quan rất lớn. Hơn nữa, thuật toán mã hóa entropy thông tin
áp dụng trong CABAC đòi hỏi phải thực thi một cách nối tiếp vì việc mã hóa dữ
liệu kế tiếp cần thiết phải cập nhật mô hình xác suất sau khi đã mã hóa dữ liệu hiện
tại. Cấu trúc luồng bit dữ liệu đầu ra HEVC encoder được mô tả trong hình 3 [2],
trong đó CABAC được áp dụng để mã hóa dữ liệu độ dư thông tin ảnh sau một loạt

các bước xử lý trước đó (hình 1). Ngoài ra, còn có các dữ liệu thông tin tiêu đề
(NALU header – Thông tin tiêu đề khung dữ liệu, slice seg. Header – Thông tin
tiêu đề cho mỗi đoạn dữ liệu ảnh có thể giải mã độc lập) đi kèm các khung dữ liệu
đóng vai trò quy ước đồng bộ gói dữ liệu giữa đầu mã hóa và giải mã và các thông
tin này được mã hóa theo các phương thức non-CABAC (Fixed Length Coding,
Variable Length Coding).
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

159


Kỹ thuật điện tử
Điểm truy cập

Byte căn chỉnh

H nh 3. Cấu trúc khung dữ liệu nén video chuẩn HEVC [2].
Thống kê cho thấy trong luồng dữ liệu đầu vào CABAC, dữ liệu residual data
chiếm tỷ lệ phần trăm chủ yếu, có tính biến động (adaptive) theo đặc tính luồng
video đầu vào. Chính vì vậy, việc đề xuất các giải pháp xử lý hiệu qủa đối với
luồng dữ liệu residual data có đóng góp lớn tới hiệu quả nén của bộ mã hóa
CABAC trong HEVC. Xây dựng được các giải pháp thực thi phần cứng đối với
chuẩn HEVC nói chung và bộ mã hóa CABAC nói riêng càng có ý nghĩa trong
việc áp dụng chuẩn HEVC một cách đa dạng trong nhiều ứng dụng video.
Bài báo đề xuất giải pháp xây dựng và thiết kế kiến trúc phần cứng thực thi bộ
biến đổi nhị phân đối với luồng dữ liệu độ dư thông tin điểm ảnh “Residual
Binarizer”. Bố cục bài báo như sau: Mục 2 trình bày tổng quan về nguyên lý biến
đổi nhị phân đối với residual data; Trên cơ sở đó, mục 3 đề xuất giải pháp thiết kế
kiến trúc phần cứng bộ biến đổi Residual Binarizer của bài báo; Mục 4 trình bày
và đánh giá các kết quả mô phỏng thiết kế phần cứng trên một số luồng video

chuẩn HEVC; Phần kết luận và các đề xuất nghiên cứu tiếp theo được đưa ra trong
mục 5.
2. TỔNG QUAN NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI NHỊ PHÂN DỮ LIỆU ẢNH
2.1. Dữ liệu điểm ảnh đầu vào mô-đun Binarizer
Trong khi chuẩn H.264/AVC thực hiện phân chia khung ảnh thành các khối dữ
liệu Macro Block (MB) đều với kích thước 1616, chuẩn HEVC cho phép phân
chia khung ảnh thành các khối dữ liệu có kích thước đa dạng, thích nghi theo đặc
điểm các vùng điểm ảnh trong khung [4, 5]. Các khối điểm ảnh trong HEVC được
biểu diễn dưới dạng các đơn vị dữ liệu mã hóa theo phân cấp kiểu hình cây (CTU:
Coding Tree Unit), có kích thước NN (N = 8, 16, 32 và 64). Khái niệm CTU
được sử dụng để mô tả logic tổ chức, đóng gói dữ liệu mã hóa, cách thức tổ chức
thông tin điều khiển để bộ mã hóa truy cập theo phân cấp kiểu hình cây từ cao
xuống thấp trong quá trình mã hóa. Các thông tin này bao gồm “độ sâu”
(partitioning depth) phân chia khối dữ liệu từ mức 0 (6464) tới mức 3 (88), chế
độ mã hóa (coding mode: Intra, Inter), các cờ báo hiệu,… Tất cả những thông tin
này được gọi là các phần tử cú pháp SE (Syntax Element) và được đóng gói đi kèm
với khối dữ liệu mã hóa Coding Block (CB).
Phương pháp phân chia và cách thức tổ chức, đóng gói dữ liệu các CTU được
mô tả trong hình 4 [6]. Trong đó các CTU được phân chia thành các đơn vị dữ liệu
mã hóa (CU: Coding Unit) mức thấp hơn. Các CU mô tả cách đóng gói thông tin
video thành các khối dữ liệu PU (Prediction Unit), phục vụ cho các phép dự đoán
“Prediction” và TU (Transfrom Unit), phục vụ cho các phép biến đổi (Transform)
và tổ hợp phần tử cú pháp độ dư thông tin điểm ảnh (Residual Syntax Element)
đầu vào bộ mã hóa CABAC [1].
160 T. Đ. Lâm, …, N. M. Cường, “Giải pháp thực thi phần cứng … chuẩn nén video HEVC.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

H nh 4. Phương pháp tổ chức, phân chia khối dữ liệu CTU theo chuẩn HEVC.

Như đã đề cập ở mục trước, bài báo tập trung nghiên cứu, xử lý dữ liệu độ dư
thông tin điểm ảnh (Residual data), là luồng dữ liệu chiếm tỷ lệ % chủ yếu của
CABAC, từ 63,7 ÷ 94 % [7]. Residual data trong kiến trúc HEVC là luồng dữ liệu
đầu ra của phép biến đổi-lượng tử (T&Q - Transform&Quantization), được biểu
diễn dưới dạng ma trận các hệ số biến đổi (Residual Coefficients) có kích thước
tương ứng với các khối dữ liệu TU. CABAC thực hiện mã hóa các phần tử cú pháp
SE, là một dạng biểu diễn “cô đọng” thông tin dữ liệu ảnh. Đối với dữ liệu các hệ
số biến đổi cần phải thực hiện phép biến đổi để tạo tập các phần tử cú pháp dữ liệu
ảnh (Residual SE) tương ứng ở đầu vào CABAC.
Hệ số
biến đổi

T

Q

T-1

Q-1

Phần tử
cú pháp

Tổ hợp phần
tử cú pháp

Chuỗi bit
mã hóa

CABAC

H nh 5. Vị trí khối tạo phần tử cú pháp residual SEs đầu vào CABAC.
(3,0)
9

3

0

-1

-

-

-

1

1

1

0

1

1

1



0



1

-

-

0

0

-

1

7

0

-

-

-6

0

0

0

-

-

-

-

1

0

0

-

1





-



-

-

-

1

-

-

-

4

-

-

-

0

1

0

0

-

-

-

-

0

1

-

-



0

-

-

-

-

-

-

-

0

-

-

-

-

-

-

0

0

0

0

-

-

-

-

0

-

-

-



-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

44 sub-block

Lần quét thứ nhất Lần quét thứ hai

Lần quét thứ ba

Lần quét
Thứ nhất
Thứ nhất
Thứ hai
Thứ ba
Thứ tư

Phần tử cú pháp
last_sig_coeff_x
last_sig_coeff_y
sig_coeff_flag
coeff_abs_level_greater1_flag
coeff_abs_level_greater2_flag

Thứ năm
Thứ sáu

coeff_sign_flag
coeff_abs_level_remaining
Data output order:

Lần quét thứ tư

1
0
1

0

1
0

Giá trị
3
0
0 0 0 0

0

30 1010000111 00111 1

Lần quét thứ sáu

Lần quét thứ năm

1
1
1

1
1

1
1

0
0

1
4

0
7

10010

047

H nh 6. Minh họa nguyên lý tạo phần tử cú pháp Residual SE.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

161


Kỹ thuật điện tử

Hình 5 mô tả luồng dữ liệu Residual SE đầu vào CABAC, trong đó, mô-đun Tổ
hợp phần tử cú pháp đảm nhiệm chức năng biến đổi các ma trận Residual
Coefficient thành tập các residual SE tương ứng như đã được mô tả chi tiết trong
công trình công bố trước đó của tác giả [8]. Nguyên tắc tạo tập Residual SE từ các
sub-block 44 Residual Coefficients được minh họa trong ví dụ ở hình 6. Mô-đun
biến đổi nhị phân Binarizer của bộ mã hóa CABAC, theo quy tắc phân chia CTU
sẽ xử lý tuần tự luồng Residual SE cho các sub-block 44 liên tiếp nhau. Bảng 1
mô tả tập các Residual SE được HEVC sử dụng để mô tả dữ liệu ảnh và phương
pháp biến đổi nhị phân được áp dụng cho từng loại Residual SE [9].
ảng 1. Phần tử cú pháp residual SEs và phương pháp biến đổi nhị phân [9].
Syntax Element
Mô tả
Phương pháp
biến đổi
last_sig_coeff_x
Tọa độ x của hệ số khác 0 cuối Truncated Rice
cùng trong sub-block 44
last_sig_coeff_y
Tọa độ y của hệ số khác 0 cuối Truncated Rice
cùng trong sub-block 44
sig_coeff_flag

Cờ chỉ thị giá trị khác 0 của
Fixed Length
mỗi hệ số, hệ số khác “0” 
flag = “1” và ngược lại.
Coeff_abs_level_greater1_flag Cờ chỉ thị mỗi hệ số khác 0 có Fixed Length
giá trị tuyệt đối lớn hơn hay
bằng “1”, hệ số > 1  flag =
“1” và ngược lại.
Coeff_abs_level_greater2_flag Cờ chỉ thị mỗi hệ số khác 0 có Fixed Length
giá trị tuyệt đối lớn hơn hay
bằng 2, hệ số > 2  flag = “1”
và ngược lại.
Coeff_sign_flag
Cờ chỉ thị dấu của các hệ số
Fixed Length
khác 0, hệ số <0  flag = “1”
và ngược lại.
Coeff_abs_level_remaining
Giá trị tuyệt đối còn dư lại của CALR [9]
mỗi hệ số khác 0, sau khi tính
đến các cờ [9]
2.2. Các phương pháp biến đổi nhị phân áp dụng trong residual binarization
a. Phương pháp Fixed Length (FL) Coding
Phương pháp biến đổi FL thực hiện biến đổi giá trị nguyên thành chuỗi nhị phân
có độ dài cố định, trong đó, độ dài chuỗi nhị phân được xác định bởi tham số cMax
đầu vào theo công thức (1). Thứ tự chuỗi bin nhị phân từ bit trọng số lớn đến bé.
(1)
b. Phương pháp Truncated Rice (TR) Coding
TR là phương pháp biến đổi nhị phân kết hợp (cascaded) của 2 phương pháp
Truncated Unary (TU) và FL, trong đó, TU được gọi là tiền tố (Frefix) còn FL được

162 T. Đ. Lâm, …, N. M. Cường, “Giải pháp thực thi phần cứng … chuẩn nén video HEVC.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

gọi là hậu tố (Suffix) của TR coding. Phương pháp TU thực hiện biến đổi giá trị
thập phân thành chuỗi nhị phân đầu ra, trong đó bao gồm 1 chuỗi bit “1” có độ dài
bằng giá trị thập phân đầu vào, có thể được thêm giá trị bit “0” vào cuối nếu giá trị
thập phân bé hơn giá trị cực đại cMax. Độ dài từ mã nhị phân TU được xác định
theo công thức (2), trong đó, synVal được ký hiệu cho giá trị thập phân đầu vào [9].
(2)
Các tham số điều khiển nguyên lý của TR gồm giá trị cực đại cMax và tham số
Rice – cRice_param. Khi đó, các giá trị đầu vào của Prefix và Suffix được xác định
theo công thức (3) và (4):
(3)
(4)
c. Phương pháp biến đổi CALR (Coefficient Absolute Level Remaining)
CALR là phương pháp biến đổi nhị phân kết hợp (cascaded) của 2 phương pháp
TR (Prefix) và EGk (Suffix). EGk là phương pháp biến đổi nhị phân Exponential
Golomb bậc k, là một dạng biến đổi nhị phân có độ dài từ mã biến thiên tùy theo
giá trị đầu vào. Tham số đầu vào điều khiển nguyên lý EGk là giá trị thập phân
synVal và tham số Rice (k). Cấu trúc từ mã của phép biến đổi EGk cũng bao gồm
Prefix và Suffix, được mô tả trong hình 7 [3].
EG0 for x/2k

x mod 2k
k bits

H nh 7. Nguyên lý biến đổi nhị phân EGk trong HEVC CABAC [3].
Tham số đầu vào điều khiển nguyên lý CALR bao gồm giá trị thập phân CALR

và tham số cRice_param. Khi đó, các giá trị đầu vào TR (Prefix) và EGk (Suffix)
của CALR được xác định theo công thức (5) và (6):
(5)
(6)
Trong đó, cMax là tham số trung gian để xác định các giá trị đầu vào Prefix và
Suffix trong các công thức (5) và (6) và được xác định theo công thức (7) còn k là
bậc của phép biến đổi EGk, được xác định theo công thức (8) [9]:
(7)
(8)
3. KIẾN TRÚC PHẦN CỨNG MÔ-ĐUN RESIDUAL BINARIZER
Trên cơ sở phân tích đặc tính thống kê, tầm quan trọng của dữ liệu residual data
đầu vào CABAC, nguyên lý biến đổi nhị phân đối với các phần tử cú pháp của
residual data như đã trình bày ở mục 2. Trong mục này, nhóm tác giả đề xuất giải
pháp thiết kế kiến trúc phần cứng thực thi chức năng mô-đun Residual Binarizer,
thực hiện biến đổi nhị phân tập tất cả các phần tử cú pháp của dữ liệu độ dư điểm
ảnh. Kiến trúc chức năng mô-đun Residual Binarizer được đề xuất như mô tả trong
hình 8. Kiến trúc phần cứng các mô-đun chức năng biến đổi nhị phân thành phần
của mô-đun Residual Binarizer được xây dựng như mô tả trong các hình 9, 10, 11,
12 và 13 theo nguyên lý đã được mô tả trong mục 2.2.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

163


Kỹ thuật điện tử

SE values

SE type

Biến đổi nhị phân
Fixed Length

Biến đổi nhị phân
Truncated Rice

Phân tích
và Điều
khiển

Biến đổi nhị phân
Fixed Length

Biến đổi nhị phân
EGk

Biến đổi nhị phân
Truncated Unary

Biến đổi nhị phân CALR

Biến đổi nhị phân Truncated Rice

bin
bin
string length

H nh 8. Kiến trúc mô-đun Residual Binarizer.
cMax

+

>>1

Enb

>

1

++

Binlength

0

<

++
synVal

Enb

Binstring

>>1

H nh 9. Kiến trúc phần cứng thực thi Fixed Length Binarization.
<<1

AND

REG
Binstring

Enb

Enb

1

1

+

<

++

<<1

Binlength

synVal
synVal
cMax

H nh 10. Kiến trúc phần cứng thực thi Truncated Unary Binarization.
synVal

cRice

Prefix Bin

PrefixVal

>>CRice

TU

<
-

TRmax

>>CRice

Concat

Suffix Bin

Sub
+

Prefix length

FL

Suffix length

+

Binstring

Binlength

Cmax

H nh 11. Kiến trúc phần cứng thực thi Truncated Rice Binarization.
164 T. Đ. Lâm, …, N. M. Cường, “Giải pháp thực thi phần cứng … chuẩn nén video HEVC.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ
k

1<
synVal

+

‘0’

1

>>1

Bin string

0

++

k

Binlength

<<1
1

+

Cmax

FL

synVal

H nh 12. Kiến trúc phần cứng thực thi EGk Binarization.
CALR

prefixVal

TR

Min

prefix bins

cRiceParam

Suffix bins

4<
cMax
Prefix length

suffixVal

1

bin string
Concat

+

k order

EGk

Suffix length

+

bin length

H nh 13. Kiến trúc phần cứng thực thi CALR Binarization.
4. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN

Kiến trúc phần cứng môn-đun Residual Binarizer được xây dựng như mô tả
trong hình 8 được mô hình hóa ở mức RTL (Register Transfer Level) bằng ngôn
ngữ lập trình mô tả phần cứng VHDL, được tổ hợp và mô phỏng kiểm chứng bằng
công cụ ISE. Dữ liệu đầu vào được sử dụng để mô phỏng kiểm chứng mô-đun
Residual Binarizer được trích xuất từ các mẫu video chuẩn theo khuyến nghị của
ITU-T như được mô tả trong bảng 2. Mô hình công cụ phần mềm dùng để trích
xuất dữ liệu kiểm chứng được xây dựng như mô tả trong hình 14. Trên mô hình
kiểm chứng, nhóm tác giả sử dụng các công cụ HM-16.15 [10] và CodecVisa [11],
trong đó HM-16.15 thực hiện mã hóa các video mẫu tạo luồng dữ liệu bit mã hóa
video theo chuẩn HEVC, còn CodecVisa thực hiện phân tích luồng bit mã hóa
video nhằm trích xuất các dữ liệu đầu vào để kiểm chứng mô-đun Residual
Binarizer. Kiến trúc phần cứng Residual Binarizer có khả năng mã hóa được trung
bình 3,5 SEs/clock cycle với tần số cực đại là 500 MHz đảm bảo thông lượng để
mã hóa các luồng video chuẩn UHD.
ảng 2. Các mẫu video kiểm chứng theo khuyến nghị IUT-T.
Sequence

Frame resolution
(WH)

Frame rate
(fps)

Residual data
(%)

352288

30

87.72

BQTerrace

19201080

60

82.95

BasketballDrive

19201080

50

80.71

Bus

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

165


Kỹ thuật điện tử
Dữ liệu kiểm chứng
Khung
hình

HM Test Model
(Phần mềm mã hóa)

Chuỗi bit

CODEC Visa
(Phân tích dữ liệu video)

Dữ liệu
điểm ảnh

Chuỗi bin nhị phân
phần mềm trích xuất

Bộ nhớ dữ liệu
phần tử cú pháp
(RAM)

Phần tử
cú pháp

Thiết kế phần
cứng Mô-đun
Biến đổi nhị phân

Chuỗi bin nhị phân

Standard
Complied
Verification

H nh 14. Mô hình mô phỏng, kiểm chứng mô-đun Residual Binarizer.
5. KẾT LUẬN
Bài báo phân tích tầm quan trọng của mã hóa dữ liệu độ dư thông tin điểm ảnh
trong bộ mã hóa CABAC chuẩn nén video HEVC, đồng thời phân tích nguyên lý
các phép biến đổi nhị phân đối với các phần tử cú pháp Residual SE. Kiến trúc
phần cứng bộ biến đổi Residual Binarizer được đề xuất, mô hình hóa trên ngôn
ngữ VHDL và mô phỏng kiểm chứng với một số mẫu video chuẩn theo khuyến
nghị của ITU-T. Kết quả mô phỏng khẳng định tính đúng đắn của kiến trúc phần
cứng đề xuất. Mô-đun biến đổi nhị phân Residual Binarizer do bài báo xây dựng
có thể mã hóa được 3,5 SEs/clock cycle ở tần số cực đại 500 MHz, cho phép áp
dụng trong các kiến trúc CABAC để mã hóa các luồng video UHD theo chuẩn
HEVC. Trong tương lai, kiến trúc phần cứng đề xuất cho mô-đun biến đổi nhị
phân được thực hiện tổng hợp mạch, mô phỏng và đánh giá các tham số tiêu thụ
nguồn, dung lượng phần cứng thiết kế trên công cụ thiết kế vi mạch tích hợp của
hãng Synopsys.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. G.-J. Sullivan, J.-R. Ohm, W.-J. Han, and T. Wiegand, “Overview of the
High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard,” IEEE Transactions on
Circuits and Systems for Video Technology, vol. 22, no. 12, pp. 1649-1668,
Dec. 2012.
[2]. V. Sze, M. Budagavi, and G.-J. Sullivan, “High Efficiency Video Coding
(HEVC): Algorithms and Architectures”. New York, USA: Springer , 2014.
[3]. Y. Cetin and A. Celebi, "On the Hardware Implementation of Binarization
for High Efficiency Video Coding," in In Proceedings of Academicsera
International Conference, Istanbul, Turkey, 23-24 October 2017.
[4]. A. Basri and N. Zainal, "Comparison of High Efficiency Video Coding
(HEVC) Performance with H.264 Advanced Video Coding (AVC)”, Journal
of Engineering Science and Technology, 2015.
[5]. V. Arora and H. H. Saini, "A Review on Different Video Coding Standards,"

International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and
Communication, Volume: 3 Issue: 4, Apr 2015.
[6]. F.-L.-L. Ramos, A.-V.-P. Saggiorato, B. Zatt, M. Porto, and S. Bampi,
"Residual Syntax Elements Analysis and Design Targeting High-Throughput
HEVC CABAC," IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol. 67, no. 2,
pp. 475-488, 2019.
166 T. Đ. Lâm, …, N. M. Cường, “Giải pháp thực thi phần cứng … chuẩn nén video HEVC.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

[7]. E.-A. Ayele and S.-B. Dhok, "Review of Proposed High Efficiency Video
Coding (HEVC) Standard," International Journal of Computer Applications,
vol. 59, no. 15, pp. 1-9, Dec 2012.
[8]. Dinh-Lam Tran, Xuan-Tu Tran, Duy-Hieu Bui, and Cong-Kha Pham, "An
Efficient Hardware Implementation of Residual Data Binarization in HEVC
CABAC Encoder," MDPI Electronics, vol. 9, no. 4, p. 684, April 2020.
[9]. H.265: High Efficiency Video Coding, 2013.
[10]. Bross et al. Fraunhofer, Heinrich Hertz Institute. [Online].
unhofer/jct-vc/HM.
[11]. (2017, Jan) Codecian Co.Ltd. [Online]. />ABSTRACT
HARDWARE IMPLEMENTATION SOLUTION OF RESIDUAL BINARIZER
IN HEVC CABAC ENCODER
CABAC (Context Adaptive Binary Arithmetic Coding), which is applied in
High Efficiency Video Coding (HEVC) standard, is an entropy coding
method that delivers double the encoding efficiency of H.264/AVC. The
Binarizer in CABAC performs conversion of image data into bin string (bins)
before being adaptively encoded according to probability. Residual data
accounted for most of the input of the Binarizer, from 63 ÷ 94%. Therefore,
the performance of Binarizer for residual data has a great influence on the

overall performance of the CABAC encoder in the HEVC standard. In the
paper, a hardware design solution of the Binarizer module for residual data,
which is suitable for encoding high-speed UHD video sequences is proposed.
The proposed Binarizer is designed and simulated on VHDL language and
FPGA technology. The simulation results show that the Binarizer can handle
standard UHD video data streams.
Keywords: HEVC; CABAC; Residual data; Binarizer; Hardware implementation.

Nhận bài ngày 19 tháng 3 năm 2020
Hoàn thiện ngày 01 tháng 8 năm 2020
Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 8 năm 2020
Địa chỉ: Viện Điện tử, Viện KH-CN quân sự.
*Email:

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

167