CN100492916C - 采用多映射表的可变长度编码和解码方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种基于映射器的可变长度编码方法、解码方法及设备。该编码方法包括：输入步骤，接收待编码码元数据并接收有关码元数据种类的元素类型信息；编码步骤，产生对应于码元数据的第一代码号；映射步骤，从多个第二代码号构成的映射表中选择相对所输入元素类型信息映射的第二代码号，其中每个根据第一代码号和元素类型信息适当地映射；代码字提取步骤，产生对应所选第二代码号的代码字；和输出步骤，输出所产生代码字。本发明可防止压缩效率下降同时保持通用可变长度码表的优点。

Description

采用多映射表的可变长度编码和解码方法及设备
技术领域
本发明涉及一种可变长度编码方法、可变长度解码方法及其设备，尤其涉及这样一种可变长度编码方法和可变长度解码方法及其设备，其中，使用多个映射表，从而能够保持通用可变长度码表，并且防止压缩编码效率下降。
背景技术
目前，国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)已致力于与下一代视频电话有关的H.26L国际标准。尽管已确定了诸如H.261、H.263、H.263+、及后面的H.263++和MPEG-4等一系列运动图像编码方法作为ITU-T国际标准，但这些国际标准不能满足新近出现的需求。因此，为了应付新的需求，提出了H.26L。新的需求如下。
第一个需求是对超低速实时应用的更加改善的编码效率和更短的端到端延迟。亦即，需要以相同的比特率来实现比H.263+基本编码方法更强化的帧速率，并且需要以比H.263+基本编码方法的比特率的一半低的比特率实现采用该基本编码方法得到的图像品质。在编码延迟方面也有需求。例如，延迟应当足够短，以满足实时交互通信，并且延迟应当足够灵活，以便容易地将延迟时间缩短到小于目标延迟时间，必要时以降低图像质量为代价。对于未来的一般使用而言，第二个需求是复杂性小到足以仅采用软件来进行编码/解码。第三个需求是能够应付约10-4的散现误差和约10-3的集中误差的容错性和一致性。其他新的需求包括对诸如视频流的能够容易地应付网络环境的结构需求、对在8～12Kbps比特率的主应用时提供更高的图像品质或娱乐品质的需求、对空间、时间和SNR的可量测性(scalability)功能的需求、对用于随机访问基于存储介质的应用的内编码功能的需求、对反向预测的能力的需求等。尤其是，在未来的低传输编码的熵编码中，当采用带有传统Huffman(霍夫曼)编码表的Huffman可变长度编码方法时，为了使设计更简化和明晰，越来越明显的趋势是广泛使用通用可变长度编码表而不管编码数据类型如何。这是为了降低如现有技术中那样因具有多个可变长度编码表所引起的处理方法和设备的复杂性。但是，尽管通用可变长度编码表能够降低处理方法和设备的复杂性，其使编码效率降低。
图1表示采用现有技术的解码设备的结构。
图1的解码单元10接收编码过的比特流(编码数据)，该比特流是在编码设备(未示出)中编码的，并且以“0”和“1”形成。解码单元10从接收到的比特流中分出每个代码字，然后输出代码号，其每个对应于不同的代码字。后面将解释从接收到的比特流中分出每个代码字的方法。码元提取单元11接收对应于每个代码字的代码号和用于确定码元种类的元素类型信号，并以解码数据的形式输出对应的码元。
下面将解释解码单元10的解码步骤。解码单元10采用通用可变长度编码表(UVLC)，该UVLC是采用图2所示的的规则形成的。这里，Xn的值为“0”或“1”。如果待编码信息是INFO，则它可被表示为INFO＝Xn..X1X0。该INFO数据被形成为图2所示的比特流，其中，除最后的比特为1外，每个奇数编号的比特为“0”。此时，从如图2所示插入的INFO形成的最后代码字的长度是通过将“1”与两倍的INFO的比特数相加而得到的，除了代码号为“0”的情况外。这样形成的代码字可以以长度增大的顺序编号，并且此时，所编的号称作代码号。图3中示出了一示例。此时，可用下面的公式1来表示代码号与待插入的INFO之间的关系：
code_number＝2L/2+INFO......(1)
这里，L是代码字的长度，并且如上所述，通过将“1”与两倍的INFO长度相加而获得，除了代码号为“0”的情况下以外。在上述规则的示例中，如果提供二进制数“10”作为INFO，则L为“5”，代码号为“5”。
反过来也可容易地采用该规则执行解码。亦即，上述形成的UVLC表所具有的预定特性为，除了每个代码字的最后一比特为二进制数“1”之外，每个代码字的奇数编号的比特始终为二进制数“0”。因此，图1的解码设备10参照输入比特流的奇数编号比特，如果找到二进制数“1”，则能够确定直至二进制数“1”的各比特对应于一个代码字。在以这种方式找到一个代码字之后，仅读取所找到的代码字中偶数编号的比特，并且这些比特构成代码号。该步骤由图1的解码设备10执行。
如果图1的解码设备10输出代码号，需要对与该代码号相对应的实际码元，即对应于所找到的INFO的码元进行解码。解码是由图1的码元提取单元11参照表简单地执行的。亦即，码元提取单元11例如存储图4所示的数据。也就是说，如果接收到代码号和表示码元种类的元素类型(element_type)，则码元提取单元11输出对应于该代码号和元素类型的码元，从而执行解码。这里，element_type的示例为MB-TYPE信息，表示当前正被解码的宏块的类型。如图4所示，MB-TYPE信息可以是表示运动向量的参考视频的对应位置的视频数据的替换的跳跃(skip)型，或者能够规定诸如16×16、16×8、8×16、8×4等的宏块的尺寸和格式。
上述传统的方法具有下列缺点。对多个码元(如MT_TYPE、CBP(编码块模式))使用一种UVLC表。可变长度编码方法的压缩效率与根据实际使用的码元概率分布来设计的代码字表的好坏密切相关。但是，在上述传统方法中，尽管通过传统通用利用代码字表降低了实施时的复杂性，但采用UVLC表将代码号与码元彼此均匀地映射，如图4所示，而不管设计码元的概率分布如何，因此，传统方法在实现最大压缩的基本目标方面存在严重问题。亦即，上述UVLC表可以适合于某些类型的码元，但是可引起其他类型码元编码类型的降低。为了解决该问题，可以准备对每种码元优化的表，以便改善效率，但是在这种情况下，牺牲了上述UVLC的有益效果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一目的在于提供一种可保持通用可变长度码(UVLC)表的优点，并且防止压缩效率的下降的有效编码方法及其编码设备。
本发明的第二目的是提供一种可保持通用可变长度码(UVLC)表的优点，并且防止压缩效率的下降的有效解码方法及其解码设备。
为了实现本发明的第一目的，提供了一种用于对数据进行编码的可变长度编码方法，该方法包括：输入步骤，用于接收待编码的码元数据，并接收有关码元数据种类的元素类型信息；编码步骤，用于产生对应于所接收码元数据的第一代码号；映射步骤，用于从由多个第二代码号构成的映射表中选择相对于所输入元素类型信息映射的第二代码号，其每个第二代码号根据第一代码号和元素类型信息适当地映射；代码字提取步骤，用于产生对应于所选第二代码号的代码字；和输出步骤，用于输出所产生的代码字。
最好，在映射步骤中，选择其每个对应于量化步长(Qp)信息的一个或多个映射表中的一个，并且从所选表中产生第二代码号，该量化步长信息对应于码元数据。
最好，在映射步骤中，从对应于码元数据的元素类型信息的多个单元中，根据至少包含量化步长(Qp)信息的信息，选择一个或多个映射表中的一个，并且从所选表中产生第二代码号。
最好，在映射步骤中，采用一个或多个映射表中使产生的比特数最小的映射表来选择第二代码号。
最好，事先采用大量的训练数据对映射步骤中的多个映射表进行优化。
为了实现本发明第一目的的另一方面，还提供了一种用于对数据进行解码的可变长度解码方法，该方法包括：输入步骤，用于接收编码数据和包含有关编码数据种类的信息的元素类型信息；解码步骤，用于产生对应于编码数据的第一代码号；映射步骤，用于接收元素类型信息，根据元素类型信息从各自对应于第一代码号的一个或多个映射表中选择一个，并采用所选映射表产生对应于第一代码号的第二代码号。
最好，在映射步骤中，根据对应于码元数据的元素类型信息中至少包含量化步长(Qp)信息的信息，选择一个或多个映射表中的一个，并且产生第二代码号。
最好，事先采用大量的训练数据对映射步骤中的一个或多个映射表进行优化。
为了实现本发明第二目的的一方面，提供了一种用于对数据进行编码的可变长度编码设备，该设备包括：编码单元，用于接收待编码的码元数据，接收有关码元数据种类的元素类型信息，并产生第一代码号；映射单元，用于接收元素类型信息，从对应于元素类型信息的一个或多个映射表中的一个映射表中，产生对应于第一代码号的第二代码号；及代码字产生单元，用于产生对应于所选第二代码号的代码字，并以编码数据的格式输出代码字。
为了实现本发明第二目的的另一方面，还提供了一种用于对数据进行解码的可变长度解码设备，该设备包括：解码单元，用于接收编码数据，接收有关编码数据种类的信息的元素类型信息，并输出第一代码号；映射单元，用于接收元素类型信息，选择其每个对应于一种元素类型的一个或多个映射表中的一个，并采用所选表将第一代码号转换成第二代码号；和码元提取单元，用于输出对应于第二代码号的码元。
附图说明
通过下面结合示例对本发明优选实施例的详细描述，本发明的上述目的和优点将会变得更加清楚，其中：
图1表示传统可变长度解码设备的结构；
图2是形成通用可变长度编码(UVLC)表的原理的示例；
图3表示UVLC表的代码号与代码字之间的关系；
图4是表示码元与代码号之间的映射关系示例的表；
图5表示本发明基于映射器的可变长度编码设备的结构；
图6A是图5的宏块(MB)类型映射器的映射结构的示例；
图6B是宏块类型码元与实际代码号之间的映射的示例；
图7是图5的映射器详细框图的优选实施例；
图8是图7的选择确定单元操作的实施例；
图9是图7的选择确定单元操作的另一实施例；
图10表示本发明基于映射器的可变长度解码设备的结构；
图11表示本发明基于映射器的可变长度编码方法的流程图；
图12表示本发明基于映射器的可变长度解码方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。本发明不限于下述实施例，在不脱离本发明宗旨和范围的情况下，可以进行各种变形。提供本发明的实施例是为了向本领域内的普通技术人员更完整地解释本发明。
图5表示本发明编码设备的结构方框图。该编码设备是采用编码单元50、映射器单元60、和代码字产生单元70构成的。下面将解释本发明编码设备的操作。
首先，将描述图5的基于映射器的可变长度编码设备的操作。待编码的码元数据和作为有关码元的类型信息的元素类型信息被输入到本发明的编码单元50。此时，通常，元素类型信息表示的是当前编码的码元语法元素(即，表示码元种类)。更一般情况下，元素类型信息表示当前编码的数据单元的各种相关语法元素信息。例如，元素类型信息可以是有关当前编码的码元数据的信息，包括有关宏块类型的信息(如尺寸和形状)、有关是否执行运动补偿的信息、有关数据是亮度信息还是色彩信息的信息、或者数据是DCT系数的DC分量还是AC分量的信息。编码单元50采用对应于待编码码元的INFO比特来产生和输出代码号，并且该代码号将被称作代码号A。输出的代码号由本发明的映射器单元60转换成代码号B。为了解释该处理过程，将参照图6A，该图表示的是宏块(MB)类型映射器60的结构示例。
下面将解释对“MB”型码元进行解码的示例。但是，该方法不局限于某种元素类型，而是可应用于待由编码设备进行编码的任意的元素类型。这里，为了方便起见，仅解释“MB”型的示例。由编码单元50输出的代码号A是对应于待编码码元的代码号。但是，根据编码条件，码元的相对出现概率变化极大。亦即，当设计了图6A所示的UVLC表时，可从中看出对应于代码号2的码元将比对应于代码号5的码元更频繁出现。实际上，对应于代码号5的码元可能更频繁出现。这可由试验证实。实际的观察结果如图6B所示。在图6B中，括号中的每个数值表示的是对应于码元的代码字长度。列UVLC表示对应于第一列代码号的码元。亦即，在UVLC表中，代码号1的代码字被指定给MB类型的16×16码元，此时代码字的长度为3比特。Qp表示的是量化间隔。在标记为Qp＝1、Qp＝15和Qp＝28的每列中，存在的码元是采用给定的Qp值产生的，并且它们是以频率降低的顺序排列的。例如，在Qp＝1中，MB类型码元“skip”出现的频繁程度处于第三位。但是，如果使用标记为UVLC的列中的传统方法映射关系，则使用长度为3比特的代码号3的代码字，因此压缩效率降低。
如图6B所示，码元的出现概率分布可与UVLC表中的有极大不同。此时，确定差别的一个因素是量化间隔Qp。因此，本发明准备了相对于量化间隔Qp值的变化而设计的一个或多个映射表，如图6A和6B所示，并且使用这些映射表，从而由编码单元50产生的代码号A被映射为对应于更有效代码字的代码号B。由此，能够实现保持UVLC的优点并且改善压缩效率的目标。由于这些映射表仅需要存储代码号而不管编码如何，因此，这些映射表不对实施产生额外的复杂性。
图7中示出了映射器60的实施例。固定的再关联表(FRAT)81相对于各条件，例如相对于通过如图6B所示进行的分析所提供的Qp值观察并预测最佳编码映射，并且以表形式显示对所提供条件优化的映射关系。图6B中示出了FRAT81的特定示例。选择单元90从对应于代码号A的各条件的FRAT 81中接收代码号B，然后根据选择确定单元80的输出信号来选择从适当的FRAT81输出的代码号B，并且输出所选代码号B作为最终的输出代码号B。选择确定单元80接收关于与希望编码的数据相关的元素类型(元素类型1～元素类型N)的信息，并且根据所接收到的有关元素类型的信息输出用于选择最佳FRAT 81的信号。
下面将描述选择确定单元80的操作。假设当前正被编码的MB_type数据为16×16，采用运动补偿，Qp为5，并且是作为亮度信号的信号。那么，选择确定单元80接收关于与当前正被编码有关的多个元素类型的信息，并且根据所接收到的几个元素类型信息来产生和输出用于选择最佳FRAT的信号。例如，如果当前正被解码的数据是MB类型的码元，则选择确定单元80从所提供的几个元素类型信息中选择对MB类型的统计特性影响最大的元素类型信息。一个示例是Qp。亦即，可以实现多个映射表FRAT 81，其每一个均对应于一个Qp。否则，如图8所示，例如，Qp值的范围被分成多个范围，从而如果Qp在a和b之间，则选择FRAT 1，而如果Qp在c和d之间，则选择FRAT2。此时，采用Qp值来选择FRAT 81仅是一个示例，根据需要，选择确定单元80可以以各种方式进行实现，即，采用其他元素类型信息或采用一个多个元素类型的所有信息来实现。因此，上述示例将不对本发明的实施作任何限制。图9中示出了另一实施方案。
图10是表示本发明基于映射器的可变长度解码设备结构的框图。下面将解释解码设备的操作。解码单元101接收代码数据，该代码数据是由“0”和“1”构成的编码的比特流，并且是采用图5的基于映射器的可变长度编码设备进行编码的。如上所述，解码单元101从所接收到的比特流中分出每个代码字，并且输出对应于每个代码字的代码号。该代码号被称作代码号A。该代码号由映射器单元110转换成代码号B，它是在编码设备中所使用的实际代码号。此时，映射器单元110接收元素类型信息的信号，表示正被映射的是什么码元。由映射器单元110输出的代码号B被输入到码元提取单元120，码元提取单元120找出并输出对应于代码号B的预定码元。由此，执行预定的解码。映射器单元110的操作与图5所示编码设备中映射器60的操作相同。
图11表示本发明基于映射器的可变长度编码方法的流程图。根据该基于映射器的可变长度编码方法，首先，在步骤1100接收待编码码元和表示码元种类的元素类型信息。采用对应于待编码码元的INFO比特，在步骤1110执行用于产生对应于INFO比特的代码号的编码。在步骤1120，所产生的代码号根据预定的编码条件被映射为在观测方面和理论方面均适当的另一代码号。在步骤1130产生对应于所映射的代码号的代码字和提取该代码字。在步骤1140输出所提取的代码字。映射步骤1120使用在编码步骤1110中产生的代码号和与当前数据有关的元素类型信息。本发明编码方法的特定操作的解释参见对本发明编码设备操作的解释。
图12表示本发明基于映射器的可变长度解码方法的流程图。根据该解码方法，首先，在步骤1200接收由“0”和“1”构成并由编码设备编码的编码数据及表示数据种类的元素类型信息。在步骤1210，采用输入数据，执行用于寻找对应于输入数据的代码号的解码。在步骤1220，采用用于映射为对元素类型信息适合的其他代码号的映射表，执行用于将由此找出的代码号变换成对应于被实际编码的码元的另一代码号的映射。在步骤1230，执行用于采用在映射步骤中确定的代码号来寻找原始码元的码元提取。在步骤1240输出所提取的码元。这里，映射步骤1220使用在解码步骤1210中产生的代码号和与当前数据有关的元素类型信息。本发明解码方法的特定操作的解释参见对本发明解码码设备操作的解释。
本发明将来预期应用的主要领域包括视频电话的实时交互、移动网络上的音频/视频通信、因特网(Internet)上的视频应用服务、实时信号语言和唇读(lip-reading)通信视频传输、视频点播(VOD)服务的视频存储和检索、视频邮件应用的视频存储和转发应用、和异构网络上的多点通信。
根据本发明，可在防止压缩效率下降的同时，保持通用可变长度码表的优点。

Claims (13)

1、一种用于对数据编码的可变长度编码方法，该方法包括：
输入步骤，用于接收待编码的码元数据，并接收有关码元数据种类的元素类型信息；
编码步骤，用于产生对应于所接收码元数据的第一代码号；
映射步骤，用于从由多个第二代码号构成的映射表中选择相对于所输入元素类型信息映射的第二代码号，其每个第二代码号根据第一代码号和元素类型信息适当地映射；
代码字提取步骤，用于产生对应于所选第二代码号的代码字；和
输出步骤，用于输出所产生的代码字；
其中，事先采用大量的训练数据对映射步骤中的多个映射表进行优化。
2、如权利要求1所述的可变长度编码方法，其中，在映射步骤中，选择其每个对应于量化步长(Qp)信息的一个或多个映射表中的一个，所述量化步长信息对应于码元数据，并且从所选表中产生第二代码号。
3、如权利要求1所述的可变长度编码方法，其中，在映射步骤中，从对应于码元数据的元素类型信息的多个单元中，根据至少包含量化步长(Qp)信息的信息，选择一个或多个映射表中的一个，并且从所选表中产生第二代码号。
4、如权利要求1所述的可变长度编码方法，其中，在映射步骤中，采用一个或多个映射表中使产生的比特数最小的映射表来选择第二代码号。
5、一种用于对数据进行解码的可变长度解码方法，该方法包括：
输入步骤，用于接收编码数据和包含有关编码数据种类的信息的元素类型信息；
解码步骤，用于产生对应于编码数据的第一代码号；
映射步骤，用于接收元素类型信息，根据元素类型信息从各自对应于第一代码号的一个或多个映射表中选择一个，并采用所选映射表产生对应于第一代码号的第二代码号；
其中，事先采用大量的训练数据对映射步骤中的一个或多个映射表进行优化。
6、如权利要求5所述的可变长度解码方法，其中，在映射步骤中，根据对应于码元数据的元素类型信息中至少包含量化步长(Qp)信息的信息，选择一个或多个映射表中的一个，并且产生第二代码号。
7、一种用于对数据进行编码的可变长度编码设备，该设备包括：
编码单元，用于接收待编码的码元数据，接收有关码元数据种类的元素类型信息，并产生第一代码号；
映射单元，用于接收元素类型信息，从对应于元素类型信息的一个或多个映射表中的一个映射表中，产生对应于第一代码号的第二代码号；以及
代码字产生单元，用于产生对应于所选第二代码号的代码字，并以编码数据的格式输出代码字；
其中，事先采用大量的训练数据对映射单元中的一个或多个映射表进行优化。
8、如权利要求7所述的可变长度编码设备，其中，在映射单元中，从对应于码元数据的元素类型信息的多个单元中，根据至少包含量化步长(Qp)信息的信息，选择一个或多个映射表中的一个，并且产生第二代码号。
9、如权利要求7所述的可变长度编码设备，其中，在映射单元中，根据对应于码元数据的量化步长(Qp)信息，选择一个或多个映射表中的一个，并且产生第二代码号。
10、如权利要求7所述的可变长度编码设备，其中，在映射单元中，采用一个或多个映射表中需要最小数个产生比特的一映射表，来选择第二代码号。
11、一种用于对数据进行解码的可变长度解码设备，该设备包括：
解码单元，用于接收编码数据，接收有关编码数据种类的信息的元素类型信息，并输出第一代码号；
映射单元，用于接收元素类型信息，选择其每个对应于一种元素类型的一个或多个映射表中的一个，并采用所选表将第一代码号转换成第二代码号；和
码元提取单元，用于输出对应于第二代码号的码元；
其中，事先采用大量的训练数据对映射单元中的一个或多个映射表进行优化。
12、如权利要求11所述的可变长度解码设备，其中，在映射单元中，根据对应于码元数据的量化步长(Qp)信息，选择一个或多个映射表中的一个，并且产生第二代码号。
13、如权利要求11所述的可变长度解码设备，其中，在映射单元中，根据对应于码元数据的元素类型信息中至少包含量化步长(Qp)信息的信息，选择一个或多个映射表中的一个，并且产生第二代码号。
CNB011177934A 2000-05-17 2001-05-17 采用多映射表的可变长度编码和解码方法及设备 Expired - Fee Related CN100492916C (zh)

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