High Efficiency Video Coding (HEVC), as known as H.265, is a recently standardized video coding format. It has been known that HEVC performs twice the data compression ratio compared to that of its predecessor, H.264. Since the improvement in the compression capability, HEVC can provide ultra-high definition video with a resolution of up to 8K (8192x4320). In order to process the high-definition video in real-time applications, high-throughput encoder and decoder architectures are required. Most of all, Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding (CABAC), which is used for entropy coding in HEVC, is actively discussed in the previous studies because it causes a bottleneck effect in the HEVC coder due to its serial property.
In this paper, we propose a high-performance hazard-free CABAC encoder which satisfies the speed requirement for 8K video coding of HEVC standard by adopting advanced techniques for high-performance and resolving the aforementioned serial property. In more detail, we find a proper form of a parallel binarizer and its groups of binarization by simulation. Furthermore, we consider all possible dependency in the consecutive inputs to a parallel BAE and propose a state lookahead scheme which forwards an updated state to the remaining parallel pipelines. On top of that, we retime the proposed pipeline architecture of the CABAC encoder in order to maximize its performance.
Synthesis results claimed that the proposed architecture enhances the bin-rate by 18% compared to the state-of-the-art CABAC encoder.
HEVC 혹은 H.265는 가장 최근에 표준화된 비디오 코딩 형식으로, 기존 표준인 H.264에 비해 데이터 압축 효율이 2배 가량 높일 수 있어 초고선명 비디오 코딩 표준으로 촉망 받는 기술이다. HEVC 표준은 높은 데이터 압축 효율 덕택에 최대 8K ($8192 \times 4320$)의 초고선명 비디오 압축을 지원한다. 이를 실시간으로 부호 및 복호하기 위해서는 고성능의 부호기, 복호기의 기술 개발이 필수 불가결하다. 그 중에서도 HEVC의 Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding (CABAC) 유닛은 시리얼한 특성에 의하여 병목 현상을 야기하기 때문에 이를 해결하기 위한 방안들이 활발하게 연구되어 왔다.
본 학위 논문에서는 HEVC 표준의 실시간 8K 비디오 코딩을 위한 hazard 없는 고성능 CABAC 부호기를 제안한다. 제안하는 CABAC 부호기는 기존의 CABAC 부호기보다 발달된 고성능 기술들과 앞서 언급한 시리얼한 특성을 해결하는 기술들을 포함한다. 자세히 말하자면, 시뮬레이션을 통해 적절한 병렬 binarizer 유닛의 parallel factor를 설정하고 이에 사용되는 group binarization을 발전시켰다. 이와 더불어 병렬 binary arithmetic engine에 입력되는 연속적인 입력들의 모든 조합을 고려하여 최신 state를 다른 pipeline에 전달하는 state lookahead scheme을 개발하였다. 나아가 최종적으로 개발된 pipeline architecture에 retiming technique을 적용하여 성능을 최적화하였다.
합성 결과에 의하면, 본 논문에서 제안하는 CABAC 부호기는 기존 최고 성능의 CABAC 부호기에 비하여 성능 측정치에 해당하는 bin-rate가 18% 가량 증가하는 것을 확인하였다.
