내장 프로세서를 사용하지 않는 저면적 H.264/AVC 가변 길이 복호기

문전학(Jeon Hak Moon),이성수(Seong Soo Lee) 대한전자공학회 2007 대한전자공학회 학술대회 Vol.2007 No.11

This paper proposes a H.264/ AVC variable length decoder without embedded processor. Many researches require embedded processors for bitstream manipulation, which increases area and power consumption. This paper proposes hardwired H.264/ AVC variable length decoder without embedded processor, which improves data processing speed and reduces power consumption. Designed variable length decoder was embedded in H.264/ AVC video decoder, and it was verified to operate correctly in the system.

H.264/AVC를 위한 효율적인 이진 산술 부호화기 설계

문전학(Jeonhak Moon),김윤섭(Yoonsup Kim),이성수(Seongsoo Lee) 大韓電子工學會 2009 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.46 No.12

본 논문에서는 H.264/AVC에서 사용되는 엔트로피 부호화 방법 중 하나인 CABAC를 위한 효율적인 이진 산술 부호화기를 제안한다. 기존의 이진 산술 부호화 알고리즘은 연산의 복잡도와 각 단계 간의 데이터 의존도가 매우 높기 때문에 빠른 연산이 어렵다. 따라서 연산 과정의 복잡도와 데이터 의존도를 줄이기 위하여 재정규화 과정을 효율적으로 처리할 수 있는 2단 파이프라인 구조를 사용한다. 하드웨어 면적을 줄이기 위해서 문맥 모델 갱신기는 transIdxMPS 표를 간단한 식으로 표현하고, transIdxLPS 표와 rangeTabLPS 표를 함께 구현한다. 산술 연산기는 입력 값의 발생 확률에 따라 일반 모드, 우회 모드, 종결 모드로 나누어 설계하여 각 모드마다 최대 속도로 동작할 수 있게 한다. 제안하는 이진 산술 부호화기는 0.18㎛ 표준 셀 라이브러리에서 7282 게이트의 면적을 사용하며 입력 심벌 당 소요되는 사이클 수는 약 1을 갖는다. This paper proposes an efficient binary arithmetic encoder for CABAC which is used one of the entropy coding methods for H.264/AVC. The present binary arithmetic encoding algorithm requires huge complexity of operation and data dependency of each step, which is difficult to be operated in fast. Therefore, renormalization exploits 2-stage pipeline architecture for efficient process of operation, which reduces huge complexity of operation and data dependency. Context model updater is implemented by using a simple expression instead of transIdxMPS table and merging transIdxLPS and rangeTabLPS tables, which decreases hardware size. Arithmetic calculator consists of regular mode, bypass mode and termination mode for appearance probability of binary value. It can operate in maximum speed. The proposed binary arithmetic encoder has 7282 gate counts in 0.18㎛ standard cell library. And input symbol per cycle is about 1.

효율적인 H.264/AVC 엔트로피 복호기 설계

문전학(Jeonhak Moon),이성수(Seongsoo Lee) 대한전자공학회 2007 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.44 No.12

본 논문에서는 메모리 공정이 필요 없고 내장 프로세서를 사용하지 않는 H.264/AVC 엔트로피 복호기를 제안한다. 기존에 발표된 H.264/AVC 엔트로피 복호기의 경우 상당수의 연구가 내부의 ROM 또는 RAM이 필요하기 때문에 일반적인 디지털 로직 공정에서 구현이 어렵다. 또한 상당수의 연구가 비트열 처리를 위하여 내장 프로세서를 사용하기 때문에 면적이 크고 전력소모가 많은 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 내장 프로세서를 사용하지 않는 H.264/AVC Hardwired 엔트로피 복호기를 제안함으로써 데이터 처리 속도를 증가 시키고 전력 소모를 줄인다. 또한 CAVLC 복호기에서 복호 시에 이용되는 룩업 테이블 및 저장 공간을 최적화하고 내장 메모리를 사용하지 않는 구조를 제안함으로써, 기존 연구에 비해 하드웨어 크기를 줄이고 ROM 또는 RAM이 지원되지 않는 디지털 로직 제조 공정에서도 쉽게 구현이 가능하다. 설계된 엔트로피 복호기는 H.264/AVC 비디오 복호기의 일부로 내장되어 전체 시스템에서 동작하는 것을 검증하였다. TSMC 90㎚ 공정으로 합성한 결과 최대동작주파수는 125㎒이며, QCIF, CIF, QVGA 영상을 지원할 뿐만 아니라 nC 레지스터 등 약간의 수정을 통해서 VGA 영상도 지원이 가능하다. This paper proposes a H.264/AVC entropy decoder without embedded processor nor memory fabrication process. Many researches on H.264/AVC entropy decoders require ROM or RAM fabrication process, which is difficult to be implemented in general digital logic fabrication process. Furthermore, many researches require embedded processors for bitstream manipulation, which increases area and power consumption. This papers proposes hardwired H.264/AVC entropy decoder without embedded processor, which improves data processing speed and reduces power consumption. Furthermore, its CAVLC decoder optimizes lookup table and internal buffer without embedded memory, which reduces hardware size and can be implemented in general digital logic fabrication process without ROM or RAM fabrication process. Designed entropy decoder was embedded in H.264/AVC video decoder, and it was verified to operate correctly in the system. Synthesized in TSMC 90㎚ fabrication process, its maximum operation frequency is 125㎒. It supports QCIF, CIF, and QVGA image format. Under slight modification of nC register and other blocks, it also support VGA image format.

HEVC CABAC 문맥 모델러의 하드웨어 구현

김두환,문전학,이성수,Kim, Doohwan,Moon, Jeonhak,Lee, Seongsoo 한국전기전자학회 2015 전기전자학회논문지 Vol.19 No.2

CABAC은 문맥 기반 적응적 이진 산술 부호화 방식으로, 이전까지 부호화 된 심볼들의 정보를 이용하여 확률을 업데이트하여 부호화 효율을 높이는 기법이다. 문맥 모델러는 통계적 상관성을 고려하여 심볼에 따라 확률 모델을 설계하는 CABAC의 핵심 블록으로서, 본 논문에서는 문맥 모델러의 효율적인 하드웨어 아키텍쳐를 제안한다. Verilog HDL로 기술되어 0.18 um 공정으로 설계된 문맥 모델러는 메모리를 포함하여 29,832개의 게이트로 이루어져 있으며, 최대 동작속도는 200 MHz, 최대 처리율은 200 Mbin/s이다. CABAC is a context-based adaptive binary arithmetic coding method. It increases the encoding efficiency by updating the probability based on the information of the previously coded symbols. Context modeler is a core block of CABAC, which designs a probability model according to the symbol considering statistical correlations. In this paper, an efficient hardware architecture of CABAC context modeler is proposed. The proposed context modeler was designed in Verilog HDL and it was implemented in 0.18 um technology. Its gate count is 29,832 gates including memory. Its operating speed and throughput are 200 MHz and 200 Mbin/s, respectively.

우회 빈의 병렬처리가 가능한 HEVC CABAC 부호화기의 설계

김두환,문전학,이성수,Kim, Doohwan,Moon, Jeonhak,Lee, Seongsoo 한국전기전자학회 2015 전기전자학회논문지 Vol.19 No.4

HEVC CABAC에서는 하나의 빈을 부호화한 후 확률 모델을 업데이트하고, 업데이트된 확률 모델로 다음 빈을 부호화한다. 기존 CABAC 부호화기는 매 사이클마다 1개의 빈밖에는 부호화하지 못하여 처리율을 향상시킬 수 없었다. 본 논문에서는 확률 모델의 업데이트가 필요없는 우회 빈을 병렬처리 함으로서 처리율을 높인 HEVC CABAC 부호화기를 제안한다. 설계된 CABAC 부호화기는 매 사이클마다 1개의 정규 빈을 처리하거나 최대 4개의 우회 빈을 처리할 수 있으며, 평균적으로 매 사이클당 1.15~1.92개의 빈을 처리한다. 0.18 um 공정에서 합성한 결과, 게이트 수는 메모리를 포함하여 78,698 게이트, 최대 동작 속도는 136 MHz, 최대 처리율은 261 Mbin/s이다. In the HEVC CABAC, the probability model is updated after a bin is encoded and next bin is encoded based on the updated probability model. Conventional CABAC encoders can encode only one bin per cycle, which cannot increase the encoding throughput. The probability model does not need to be updated in the bypass bins. In this paper, a HEVC CABAC encoder is proposed to increase encoding throughput by parallel processing of bypass bins. The designed CABAC encoder can process either a regular bin or maximum 4 bypass bins in a cycle. On the average, it can process 1.15~1.92 bins in a cycle. Synthesized in 0.18 um technology, its gate count, maximum operating speed, and the maximum throughput are 78,698 gates, 136 MHz, and 261 Mbin/s, respectively.

구문 요소의 저장 공간을 효과적으로 줄인 H.264/AVC CABAC 부호화기 설계

김윤섭(Yoonsup Kim),문전학(Jeonhak Moon),이성수(Seongsoo Lee) 大韓電子工學會 2010 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.47 No.4

본 논문에서는 H.264/AVC에서 구문 요소의 저장 공간을 줄인 효율적인 CABAC 부호화기를 제안하였다. 제안하는 구조는 모든 블록을 하드웨어 기반으로 설계하여 프로세서에 의존하지 않고 빠른 처리가 가능하다. 또한 CABAC 부호화기의 문맥 모델러에서는 문맥 모델을 유도하기 위해 이웃 블록의 데이터가 필요한데 이웃 블록 데이터를 가공하지 않은 상태로 전부 저장하게 된다면 메모리 용량이 비효율적으로 커지게 된다. 따라서 본 논문에서는 이웃 블록 데이터를 효율적으로 저장하여 메모리 크기를 감소시키는 방법을 사용한다. 제안하는 CABAC 부호화기는 0.18㎛ 표준 셀 라이브러리를 이용하여 합성한 결과 35,463 게이트의 면적을 사용하였으며, 최대 180㎒까지 동작이 가능하고 입력 심벌 당 소요되는 사이클 수는 약 1에 가깝다. This paper proposes an efficient CABAC encoder to reduce syntax element storage in H.264/AVC entropy coding. In the proposed architecture, all blocks are designed in dedicated hardware, so it performs fast processing without programmable processors. Context modeler of CABAC encoder requires the neighbor block data. However it requires impractically huge memory size if the neighbor block data is directly stored without proper processing. Therefore, this paper proposes an effective method of storing the neighbor block data to decrease memory size. The proposed CABAC encoder has 35,463 gates in 0.18㎛ standard cell library. It operates at maximum speed of 180㎒ and its throughput is about 1 cycle per input symbol.

Hardware Implementation of HEVC CABAC Binarizer

Duyen Hai Pham,문전학,이성수 한국전기전자학회 2014 전기전자학회논문지 Vol.18 No.3

This paper proposes hardware architecture of HEVC (high efficiency video coding) CABAC (context-based adaptive binary arithmetic coding) binarizer. The proposed binarizer was designed and implemented as an independent module that can be integrated into HEVC CABAC encoder. It generates each bin string of each syntax element in a single cycle. It consists of controller module, TU (truncated unary binarization) module, TR (truncated Rice binarization) module, FL (fixed length binarization) module, EGK (k-th order exp-Golomb coding) module, CALR (coeff_abs_level_remaining) module, QP Delta (cu_qp_delta_abs) module, Intra Pred (intra_chroma_ pred_mode) module, Inter Pred (inter_pred_idc) module, and Part Mode (part_mode) module. The proposed binarizer was designed in Verilog HDL, and it was implemented in 45 nm technology. Its operating speed, gate count, and power consumption are 200 MHz, 1,678 gates, and 50 uW, respectively.

Hardware Implementation of HEVC CABAC Binary Arithmetic Encoder

Duyen Hai Pham,문전학,김두환,이성수 한국전기전자학회 2014 전기전자학회논문지 Vol.18 No.4

In this paper, hardware architecture of BAE (binary arithmetic encoder) was proposed for HEVC (high efficiency video coding) CABAC (context-based adaptive binary arithmetic coding) encoder. It can encode each bin in a single cycle. It consists of controller, regular encoding engine, bypass encoding engine, and termination engine. The proposed BAE was designed in Verilog HDL, and it was implemented in 180 nm technology. Its operating speed, gate count, and power consumption are 180 MHz, 3,690 gates, and 2.88 mW, respectively.