CN101427583B

CN101427583B - 算术解码方法和设备

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Publication number: CN101427583B
Application number: CN2007800141351A
Authority: CN
Inventors: 让-克里斯托弗·勒兰; 吉尔达斯·科克里尔; 克里斯托弗·乔利维特; 迈克尔·福萨德
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS; International Digital Madison Patent Holding SAS
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2027-04-05
Also published as: CN101427583A; US20090219177A1; WO2007118811A3; JP5264706B2; KR20090007301A; WO2007118811A2; US7876240B2; EP2008467B1; JP2009534886A; EP2008467A2; KR101360313B1; FR2900004A1

Abstract

本发明涉及一种用于对按照如CABAC的算术编码方法编码的元素进行解码的方法。该方法基于第一和第二解码参数CodIOffset₀和CodIRange，将所述二进制流的至少一部分解码为一组元素，该组元素包括前缀(P2)和后缀(S2)，前缀(P2)包括n个第一元素，后缀(S2)包括m个第二元素，所述前缀(P2)和所述后缀(S2)由被称为主元(P)的元素分离开来。所述方法包括以下步骤：基于所述第一和第二解码参数并且基于所述二进制流的被称为k个第一位的k个连续位的值来确定n的值，以便从其推导出所述前缀(P2)和m的值；以及基于所述第一和第二解码参数并且基于所述二进制流中跟随在所述k个第一位中的n个第一位之后的m个连续位的值来确定后缀(S2)。

Description

算术解码方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于解码根据上下文算术编码方法(context arithmeticcoding method)编码的元素的方法和设备，所述编码的元素以数据流的形式出现。

背景技术

音频或视频类型的数字数据可以根据各种编码方法来编码。算术编码方法的领域是已知的，并且算术编码方法使得具体地利用非整数位数可以编码数据项或语法元素(例如，运动矢量)。因此，与霍夫曼编码所允许的相反，同一位可包含涉及两个不同语法元素的信息。在此情况下，这样的位被称为分数位。

也以名称MPEG-4第10部分或MPEG-4AVC而为人所知的H.264视频编码标准提出了熵编码方法，该熵编码方法是以名称CABAC(“Context-basedAdaptive Binary Arithmetic Coding(基于上下文的自适应二进制算术编码)”)而为人所知的上下文算术编码方法。在先前编码的值影响当前语法元素的编码情况下，该编码方法是自适应的。为了改进用于在熵解码的步骤和随后处理(例如，逆量化)之间对语法元素进行解码的时间，并因而减少所需要的存储器大小，期望至少部分地将上下文算术解码方法并行化，由于所述解码方法的串行性质(sequential nature)，该并行化相对复杂。

发明内容

本发明旨在减轻现有技术的至少一个缺点。更具体地，本发明涉及一种用于解码根据如CABAC的算术编码方法编码的元素的方法，该编码的元素以二进制流的形式出现。所述方法基于分别定义间隔的下限(CodIOffset₀)和大小(CodIRange)的第一和第二预定义的解码参数，将所述二进制流的至少一部分解码为一组元素，该组元素包括前缀(P2)和后缀(S2)，前缀(P2)包括具有预定相同值的n个第一元素，后缀(S2)包括m个第二元素，m按照预定函数依赖于n，所述前缀(P2)和所述后缀(S2)由被称为主元(pivot)(P)的元素分离开来，所述方法包括以下步骤：

-基于所述第一和第二解码参数并且基于所述二进制流中被称为k个第一位的k个连续位的值，通过并行计算来确定n的值，k为大于或等于n的预定整数，以便从其推导出所述前缀(P2)和m的值；以及

-基于所述第一和第二解码参数并且基于所述二进制流中跟随在所述k个第一位中的n个第一位之后的m个连续位的值，通过并行计算来确定后缀(S2)。

优选地，所述n个第一元素、主元(P)和所述m个第二元素是位。

根据特定实施例，确定n的值，使得n为满足以下关系的最小整数：

2ⁿCodIOffset₀+val(n)-(2ⁿ-1)*CodIRange<CodIRange

其中，val(n)是对应于所述二进制流的n个第一位的值；

CodIOffset₀是定义所述间隔的下限的第一参数的值；以及

CodIRange是定义所述间隔的大小的第二参数的值。

此外，确定后缀(S2)，使得其值等于商(2ⁿCodIOffset₀+val(n))/CodIRange。

本发明还涉及一种用于解码根据如CABAC的算术编码设备编码的元素的设备，所述编码的元素以二进制流的形式出现。所述设备基于分别定义间隔的下限(CodIOffset₀)和大小(CodIRange)的第一和第二预定义的解码参数，将所述二进制流的至少一部分解码为一组元素，该组元素包括前缀(P2)和后缀(S2)，前缀(P2)包括具有预定相同值的n个第一元素，后缀(S2)包括m个第二元素，m按照预定函数依赖于n，所述前缀(P2)和所述后缀(S2)由被称为主元(P)的元素分离开来。所述设备(104)包括：

-用于基于所述第一和第二解码参数并且基于所述二进制流中被称为k个第一位的k个连续位的值来确定n的值的并行操作的装置，k为大于或等于n的预定整数，以便从其推导出所述前缀(P2)和m的值；以及

-用于基于所述第一和第二解码参数并且基于所述二进制流中跟随在所述k个第一位中的n个第一位之后的至多m个连续位的值来确定后缀(S2)的并行操作的装置。

优选地，所述用于确定后缀(S2)的装置包括硅上除法器(on-silicondivider)。

有利地，所述解码设备还包括用于串接所述前缀P2、所述主元P和所述后缀S2的装置。

优选地，其特征在于，所述解码设备还包括用于将所述二进制流移动等于m+n+1的整数位数的装置。

本发明还涉及一种计算机程序产品，它包括当所述程序在计算机上执行时、用于执行根据本发明的方法的各步骤的程序代码指令。

附图说明

参照附图，将通过完全非限制的有利示例性实施例和实现模式更好地理解和说明本发明，附图中：

图1图示根据现有技术的对被称为“位元(bin)”的位进行解码的方法，所述“位元(bin)”表示以根据H.264标准的、被称为旁路模式的特定模式编码的语法元素或该元素的一部分；

图2表示展现某种规则性的特定语法元素的位元；

图3以模块形式表示根据本发明的上下文算术解码设备；

图4表示由图3表示的上下文算术解码设备的模块的一部分；

图5表示由图4表示的解码设备的一部分的第一计算模块；

图6表示由图5图示的模块的第一计算块；

图7表示由图5图示的模块的第二计算块；

图8表示由图5图示的模块的第三计算块；

图9表示由图4表示的解码设备的一部分的第二计算模块；以及

图10表示由图4表示的解码设备的一部分的第三计算模块。

具体实施方式

在当激活CABAC上下文算术编码模式时根据H.264标准解码一系列图像的应用框架内描述本发明。在一系列图像的编码期间，例如运动矢量的某些语法元素频繁地出现。因此能够以有效的方式解码它们是非常重要的。为此，本发明的目的在于至少部分地将用于对先前由如CABAC的上下文算术编码方法编码的数字数据进行解码的方法并行化。

根据H.264标准，语法元素不直接由算术编码方法编码。具体地，在被称为二进制化步骤的第一编码步骤期间，通过使用包括被称为“位元”的位的可变长度码来编码语法元素，以借助于在ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG的参考编号为JVT-M050d4的、题为“Draft of version4of H.264/AVC(ITU-TRecommendation H.264and ISO/IEC14496-10(MPEG-4part10)AdvancedVideo Coding)”的文献中定义的表格和/或方法将它们与最终的数据流的位区分开来。在第二步骤期间，因此生成的位元组被上下文算术编码方法编码为一组位，该组位是编码数据流(位流)。此时，与传统熵解码方法(例如，如在MPEG-2标准的框架内所使用的方法)相反，如在H.264标准的框架内使用的熵解码方法包括下面的步骤：

-读取编码数据流中的一定数量的位；

-基于这些位，在上下文算术解码步骤期间，以串行方式生成表示语法元素(如，例如DCT系数或矢量分量)的连续位或位元的第二流；以及

-基于在之前的步骤期间生成的位元生成语法元素。

解码方法的最后步骤被称为去除二进制化(debinarization)步骤。给定数量的位可以被变换为许多不同的位元。这些位元被存储和编译，以便恢复完整的语法元素的值。应当注意到，当语法元素值已经被解码时，可能基于该相同的最后位继续提取之后的语法元素的信息。在H.264标准的情况下，编码方法在其寻求编码的语法元素的类型之后可以考虑降级的算术编码模式(称为“旁路bypass”模式)。编码方法然后将被称为bypassFlag的特定参数的值设置为1。该参数的值作为根据本发明的解码方法必须解码的语法元素的类型的函数，由根据本发明的解码方法确定。具体地，H.264标准指定给定的语法元素是以降级模式还是非降级模式编码。降级模式具体用于编码其分布大致均匀的语法元素或这样的元素的一部分。图2表示至少一部分根据降级模式编码的语法元素的位元(例如，在H.264标准中定义的运动矢量mvd_I0和mvd_I1以及系数coef_abs_level_minusl)。例如，根据H.264标准，运动矢量语法元素的后缀S1和系数coef_abs_level_minusl的后缀S1以该降级模式编码。对于运动矢量，后缀S1的位元跟随在前缀P1的前9个位元之后。对于系数coef abs_level_minusl，后缀S1的位元跟随在前缀P1的前14个位元之后。如果这样的语法元素的值小于某些值(依赖于前缀P1中的位元的数量)，则可能没有后缀S1。根据如在文献JVT-M050d4中描述的传统的上下文算术解码方法来解码以非降级模式(即，bypassFlag＝0)编码的前缀P1。根据本发明的方法来解码后缀S1。

图1表示根据现有技术并且在文献JVT-M050d4中描述的解码方法。该方法使得可以生成表示以降级模式编码的语法元素或这样的元素的一部分的一系列位元。在文献JVT-M050d4中定义了所使用的运算符：运算符‘<<’是“左移”运算符，运算符‘|’是“或(OR)”运算符，并且运算符‘&’是“与(AND)”运算符。函数val(m)返回通过在编码数据流中“读取m位”所获得的值。表征算术解码器的当前状态的解码参数CodIOffset₀和CodIRange分别定义间隔的下限和大小。这些解码参数在图像中每个码片的开始处被初始化：CodIOffset₀＝0，并且CodIRange＝1。binVal表示当前位元的值。通过运行图1所示的方法，即，通过连续若干次应用该方法，我们得到在每次迭代处遇到的所有可能分支(是和否分支)的先验组合。然而，在解码所考虑的语法元素(即，运动矢量和系数)的后缀S1的情况下，可以通过将该方法并行化来简化该方法。具体地，表示这些后缀S1的一系列位元不是随机的。它们展现出规则性，具体地，它们包括：

-包括值为‘1’的一系列n个位元的前缀P2；

-被称为主元并且被标记为P的位元‘0’；以及

-包括随机的一系列m个位元的后缀S2，其中m根据例如m＝n+n₀的预定函数而依赖于n，n₀是其值已知并依赖于当前语法元素的整数。

通过运行k次根据现有技术的方法，得到下面的k个关系：

1阶关系：

CodIOffset₁＝(2×CodIOffset₀+val(1))-CodIRange

2阶关系：

CodIOffset₂＝(2×CodIOffset₁+val(1))-CodIRange

　　　　　＝(2²×CodIOffset₀+val(2))-(2²-1)CodIRange

3阶关系：

CodIOffset₃＝(2³×CodIOffset₀+val(3))-(2³-1)CodIRange

k阶关系：

CodIOffset_k＝(2^k×CodIOffset₀+val(k))-(2^k-1)CodIRange

因此，在步骤1期间可能仅基于CodIOffset₀和CodIRange的值来确定主元P的位置，即，n的值，并因此确定后缀S2的长度m。具体地，精确满足关系CodIOffset_p<CodIRange的最小索引p确定主元的位置。假设P2的第一位元的索引是零，则p＝n。已知p总是小于k(例如，k＝14)，为了确定该值，并行计算CodIOffset_k的k个值并且将所有这些值与CodIRange比较即可。在完成该步骤之后，更新CodIOffset₀的值：CodIOffset₀＝CodIOffset_p。随后，我们考虑在第p位之后的数据流以确定值val(1)...val(m)。

在已经确定主元P的位置p之后，仍要在步骤2期间生成从而重建后缀S1中的后缀S2的位元的数量m是已知的：m＝n+n₀。然而，这些位元的每个的值仍然要在该第二步骤期间确定。通过再将根据现有技术的方法运行m次，得到以下m个关系：

CodIOffset₁＝2¹×CodIOffset₀+val(1)-b₀CodIRange

CodIOffset₂＝2²×CodIOffset₀+val(2)-(2×b₀+b₁)CodIRange

CodIOffset₃＝2³×CodIOffset₀+val(3)-(2²×b₀+2×b₁+b₂)CodIRange

CodIOffset_m＝2^m×CodIOffset₀+val(m)-CodIRange×(2^m-1×b₀+2^m-2×b₁+...+b_m-1)设α＝2^mCodIOffset₀+val(m)以及B＝[2^m-1b₀+2^m-2b₁+...+b_m-1]。α是依赖于数据流的m位的值的常数，m已知，并且CodIOffset₀的值也已知。此外，该标准设定值CodIOffset_m小于CodIRange。

由此，B等于商α/CodIRange，并且CodIOffset_m为该除法的余数，因为α＝CodIRange×B+CodIOffset_m并且CodIOffset_m<CodIRange。因此，根据H.264标准，最大次数地从值α中减去值CodIRange。

已经在步骤1期间确定主元的位置以及因此确定前缀P2，之后，已经在步骤2期间确定后缀S2的位元的值，即值B，后缀S1完全由P2、S2以及主元的串接确定。在完成步骤1和2后，不修改CodIRange的值，并且利用CodIOffsetm的值更新CodIOffset₀的值。这些可能被更新的CodIRange和CodIOffset₀的值是无论在降级模式还是在非降级模式下、当再次使用上下文算术编码方法来解码位元时都将使用的那些值。

本发明还涉及实现根据本发明的算术解码方法的上下文算术解码设备10。在后面的附图中，所示的各模块是可以对应于或可以不对应于物理可分离的单元的功能单元。例如，这些模块或其中的一些可以被组合到一起以作为单个组件，或构成同一个软件的功能。相反，某些模块可能包括分离的物理实体。参照图3，解码设备10具体包括监视模块100，其任务在于监视整个数据路径。监视模块100例如采取状态机(FSM-“有限状态机”)的形式。解码设备10还包括模块101，其使得可以基于相邻数据选择在图3中被标记为cts_mem的存储器中存储的上下文。解码设备10此外还包括算术解码模块102，其实现之前描述的根据本发明的解码方法。为了使流水线处理的这两个阶段同步，解码设备10包括位于监视模块100和算术解码模块102之间的寄存器R。算术解码模块102将可能读取存储器cts_mem中的上下文值，并且基于作为输入接收的数据流而生成位元。它还将更新存储器cts_mem中的上下文。该位元被传输到去除二进制化模块103。它还向外部移位器分派移动命令，该外部移位器将数据流移动一定位数。去除二进制化模块103使得可以基于由算术解码器102生成的位元来生成语法元素。

算术解码模块102包括实现由所述标准提出的传统的算术解码方法的第一模块，该第一模块对除了对其使用根据本发明的解码方法的语法元素或这样的元素的一部分的位元(即，运动矢量的后缀和系数coef_abs_level_minusl)之外的位元进行解码。算术解码模块102还包括实现根据本发明的方法的、图4中表示的第二模块104。模块104具体包括第一计算模块20，其使得可以根据按照本发明的方法的步骤1来计算主元P的位置，以便生成后缀S1的前缀P2、并且计算α的值。它还包括计算模块21，其使得可以将α除以参数CodIRange，从而计算后缀S2的值和CodIOffset₀的新值。该计算模块21例如是硅上除法器。模块104还包括在图9中表示的串接模块22，其使得通过串接由计算模块20生成的前缀P2、主元P和由计算模块21生成的后缀S2可以生成后缀S1。模块104包括在图10中表示的、使得可以计算整数位数(m+n+1)的模块23，所述数量被传输到负责将数据流移动该位数的移位器。

图5中表示的计算模块20包括图6中表示的第一计算模块200，其使得可以并行计算下面k个关系：

Calculation-1(k)＝(2^k×CodIOffset₀+var(k)-2^k×CodIRange)

它还包括在图7中表示的模块201，其使得通过将值0与由第一计算模块200计算的k个值Calculation_1(k)比较，由此实际上是比较CodIOffset_k的k个值与值CodIRange，来确定主元P的位置p。它还包括第一多路复用器M₁，其使得可以从k个计算的值中选择值Calculation_1(p)。计算模块20还包括在图8中表示的、使得可以计算下面k个关系的第二计算模块202：

Calculation_2(k)＝2^kCodIOffset₀+var(k)

它还包括使得可以从k个所计算的值中选择值Calculation_2(m)的多路复用器M₂，在确定了主元的位置后m的值是已知的。等于Calculation_2(m)的参数α的值被计算模块21用来计算后缀S2的值以及偏移量CodIOffset₀的新值。

当然，本发明不限于上述示例性实施例。具体地，本领域技术人员可对这里提出的实施例引入任何变型，并且将它们组合以从其各种优点受益。在视频数据的框架内描述的本发明不限于该种类型的数据，并且具体可应用于音频、语音类型的数据。本发明也不限于H.264标准，具体可应用于实现按照H.264的上下文算术编码方法的其他标准。

Claims

1.一种用于对根据基于上下文的自适应二进制算术编码CABAC方法编码的元素进行解码的方法，所述编码的元素以二进制流的形式出现，所述方法基于定义间隔的下限的第一预定义的解码参数CodIOffset₀和定义所述间隔的大小的第二预定义的解码参数CodIRange，将所述二进制流的至少一部分解码为一组元素，该组元素包括前缀(P2)和后缀(S2)，前缀(P2)包括具有预定相同值的n个第一元素，后缀(S2)包括m个第二元素，m按照预定函数依赖于n，所述前缀(P2)和所述后缀(S2)由被称为主元(P)的元素分离开来，所述方法的特征在于，它包括以下步骤：

基于所述第一和第二解码参数并且基于所述二进制流的被称为k个第一位的k个连续位的值，通过并行计算来确定n的值，k为大于n的预定整数，以便从其推导出所述前缀(P2)和m的值；

并行地计算以下k个值：2ⁱCodIOffset₀+val(i)，其中val(i)是所述二进制流中跟随在主元之后的i个连续位的值，i是从1到k变化的索引；

在该k个值中选择i等于m的值(α)；以及

将所选择的值(α)除以CodIRange的商作为后缀(S2)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述n个第一元素、主元(P)和所述m个第二元素是位。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：确定n的值使得n为满足以下关系的最小整数：

2ⁿCodIOffset₀+val(n)-(2ⁿ-1)*CodIRange＜CodIRange

其中，val(n)是对应于所述二进制流的n个第一位的值。

4.一种用于对由基于上下文的自适应二进制算术编码CABAC方法编码的元素进行解码的设备(104)，所述编码的元素以二进制流的形式出现，所述设备基于定义间隔的下限的第一预定义的解码参数CodIOffset0和定义所述间隔的大小的第二预定义的解码参数CodIRange，将所述二进制流的至少一部分解码为一组元素，该组元素包括前缀(P2)和后缀(S2)，前缀(P2)包括具有预定相同值的n个第一元素，后缀(S2)包括m个第二元素，m按照预定函数依赖于n，所述前缀(P2)和所述后缀(S2)由被称为主元(P)的元素分离开来，所述设备(104)的特征在于，它包括：

用于基于所述第一和第二解码参数并且基于所述二进制流的被称为k个第一位的k个连续位的值来通过并行计算确定n的值的装置(20，200，201)，k为大于n的预定整数，以便从其推导出所述前缀(P2)和m的值；

用于并行地计算以下k个值2ⁱCodIOffset₀+val(i)的装置(202)，其中val(i)是所述二进制流中跟随在主元之后的i个连续位的值，i是从1到k变化的索引；

用于在该k个值中选择i等于m的值(α)的装置(M2)；以及

用于将所选择的值(α)除以CodIRange的商作为后缀(S2)的装置(21)。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于：所述用于确定后缀(S2)的装置包括硅上除法器(21)。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于：所述解码设备(104)还包括用于串接所述前缀P2、所述主元P和所述后缀S2的装置(22)。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于：所述解码设备(104)还包括用于将所述二进制流移动等于m+n+1的整数位数的装置(23)。