CN102150369A - 无损压缩前缀后缀码的方法、解压缩在压缩的前缀后缀码中编码的表示整数或码元的比特序列的方法、和载有压缩的前缀后缀码的存储介质或信号 - Google Patents

无损压缩前缀后缀码的方法、解压缩在压缩的前缀后缀码中编码的表示整数或码元的比特序列的方法、和载有压缩的前缀后缀码的存储介质或信号 Download PDF

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Abstract

本发明涉及前缀后缀码的无损压缩以及对应的解压缩，其中，前缀包括一元码。用于无损压缩前缀后缀码(VLC1、VLC2、VLC3)的方法包括以下步骤：从前缀(PRFX1、PRFX2、PRFX3)形成第一连续比特序列(FBS)；以及通过去除与第一连续比特序列(FBS)中第一值的频率与第一连续比特序列(FBS)中第二值的频率之间的差有关的冗余，来无损压缩第一连续比特序列(FBS)。比特值在前缀中不均匀地分布而在后缀中比特值的分布更加均匀。从而，如果分离地压缩前缀，则可达到更好的压缩。

Description

无损压缩前缀后缀码的方法、解压缩在压缩的前缀后缀码中编码的表示整数或码元的比特序列的方法、和载有压缩的前缀后缀码的存储介质或信号
技术领域
本发明涉及一种用于无损压缩前缀后缀码的方法，其中每个前缀包括一序列具有第一值的比特，所述序列由具有不同的第二值的停止比特终止，并且本发明涉及一种用于解压缩在压缩的前缀后缀码中编码的表示整数或码元的比特序列的方法。本发明还涉及一种载有压缩的前缀后缀码的存储介质或信号。
背景技术
前缀后缀码被用于例如可变长度编码(VLC)。大多数VLC方案中，通过具有可变长度的两部分比特序列来表示整数或码元，其中，该比特序列的前面部分载有指示后面部分中比特数目的前缀，后面部分载有编码的有效载荷数据的表示作为后缀。前缀通过一元码表示所述比特数目，即，通过由具有不同值的停止比特终止的相同数目的等值比特来表示所述比特数目。
在有关于音频、图像、视频、多媒体、计算机游戏、3D网格数据、文本、文件等信息编码中使用VLC。例如，用VLC编码图像或视频帧的宏块的语法元素。
虽然VLC提供了非常紧凑的整数或码元的表示，但期望更紧凑的表示。
发明内容
通过一种包括权利要求1的特征的方法实现了前缀后缀码的无损压缩，其中每个前缀包括具有第一值的比特的序列，所述序列由具有不同的第二值的停止比特终止。
所述方法包括以下步骤：从前缀形成第一连续比特序列，从后缀形成第二连续比特序列，通过去除与第一连续比特序列中的第一值的频率(frequency)与第一连续比特序列中的第二值的频率之间的差有关的冗余，无损压缩第一连续比特序列。
比特值在前缀中不均匀地分布，而在后缀中比特值的分布更加均匀。从而，如果分离地压缩前缀可达到更好的压缩。
在一实施例中，该方法还包括以下步骤：从后缀形成第二连续比特序列，以及将所述第二连续比特序列附加到经压缩第一比特序列。
在另一实施例中，无损压缩步骤包括对第一连续比特序列的算术编码。
第一连续比特序列的算术编码可包括与第一连续比特序列中第一值的频率与/或第二值的频率有关的信息。
在另一实施例中，无损压缩步骤包括基于自适应代码字典(dictionary)的压缩。
基于自适应代码字典的压缩可为Lempel-Ziv压缩或Lempel-Ziv-Welch压缩。
在另一实施例中，压缩的第一比特序列包括一个或多个标志比特，其指示第一连续比特序列被压缩以及/或者通过哪种压缩方法被压缩。
可通过一种包括权利要求7的特征的方法来实现在压缩的前缀后缀码中编码的表示整数或码元的比特序列的解压缩。
所述解压缩方法包括以下步骤：解压缩在该比特序列中包括的第一连续子序列，以及在停止比特处将解压缩的第一连续子序列分离成前缀。
在一实施例中，解压缩方法还包括使用前缀将在比特序列的剩余部分中包括的第二连续子序列分离成后缀。
在另一实施例中，解压缩方法还包括提取与第一子序列中比特值的相对频率有关的信息，其中使用所提取的信息通过算术解码来解压缩第一子序列。
在解压缩方法的另一实施例中，通过基于自适应代码字典的解压缩方法，例如通过Lempel-Ziv解压缩方法或Lempel-Ziv-Welch解压缩方法，解压缩第一连续子序列。
在再一实施例中，解压缩方法还包括：评价一个或多个标志比特，所述一个或多个标志比特指示第一子序列必须被解压缩以及/或者必须通过哪种方法被解压缩；以及相应地解压缩第一连续子序列。
本发明进一步提出一种载有在压缩的前缀后缀码中编码的表示整数或码元的存储介质或信号，所述整数或码元表示与音频与/或视频有关的信息，其中，所述比特序列包括表示压缩的前缀的第一连续子序列以及表示后缀的不相交的第二连续子序列。
在存储介质或信号的实施例中，所述压缩的前缀后缀码是根据用于无损压缩前缀后缀码的本发明方法或所述方法的实施例之一压缩的。
由存储介质或信号载有的比特序列可包括与第一连续比特序列中第一值的频率与/或第二值的频率有关的信息。
而且/或者，由存储介质或信号载有的比特序列可包括一个或多个标志比特，其指示第一连续子序列被压缩以及/或者通过哪种方法被压缩。
存储介质可为碟形光学介质(例如DVD，HD-DVD或蓝光碟)、或磁性介质(例如硬盘或磁带驱动器)、或任何其它类型的存储介质。
如果前缀后缀码为表示与音频与/或视频数据有关的信息的整数的可变长度编码，则本发明效果显著。例如，整数可表示相同类型的语法元素，所述语法元素与图像或视频帧的宏块相关联。
以下描述中更具体地说明了本发明示范性实施例。
附图说明
在附图中图示了本发明的示例实施例，并且在以下描述中更具体地说明了本发明的示例实施例。
在图中：
图1描述了前缀后缀码的无损压缩的第一示例实施例，以及
图2描述了前缀后缀码的无损压缩的第二示例实施例。
具体实施方式
VLC码使用变化的整数数目比特来表示不同码元。霍夫曼(Huffman)编码为最广泛使用的VLC方法。其向具有更大可能性的码元赋予更少的比特，而向具有更小可能性的码元赋予更多的比特。霍夫曼编码证实为用于源编码的最好的VLC方法，但是其需要复杂的处理以构造霍夫曼树。此外，霍夫曼码更加适合于有限数目的码元或值。但是，在许多情况下，存在无限数目的码元，例如，码元是整数数字(integer numbers)。
从而，实践中，提出了一些更简单的VLC码，例如，Golomb码，其具有一些具体的派生码，诸如：Golomb-Rice码，指数Golomb(Exp-Golomb)码，以及混合Golomb码。一元码为特定的Golomb-Rice码。表1示出了不同种类的Golomb码的示例：
Figure BDA0000050075340000041
表1：Golomb码的派生码
以上提及的这些可变长度码简单并且适用于具有一定统计概率分布的编码信号源。例如，如果码元n以PU(n)＝2-(n+1)的概率出现，则一元码为最佳。类似地，存在概率分布PRC(n)，PEXG(n)以及PHG(n)，对于概率分布PRC(n)，PEXG(n)以及PHG(n)，Golomb-Rice码，Exp-Golomb码或混合Golomb码是最佳的。然而，实践中，信号源不完全与任何所述概率分布一致。从而，在VLC码中仍存在在先前的音频或图像/视频编码方案中在VLC编码工具中没有考虑到的冗余。
像Exp-Golomb码以及霍夫曼码(但不为一元码)这样的VLC码也被称为前缀码或前缀后缀码。前缀码具有前缀属性：没有码字VLC1、VLC2、VLC3为该组中任何其它码字VLC1、VLC2、VLC3的前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3。典型地，可以以下格式表示Golomb码以及霍夫曼码：
00...01XXXXX  前缀：00...01后缀：XXXXX(“X”可为“1”或“0”)
即：几个连续的“0”与一个“1”形成前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3，而后面的XXXXX形成后缀SFFX1、SFFX2、SFFX3。通常，后缀SFFX1、SFFX2、SFFX3中“0”与“1”的概率大体相同，即，50％。从而，几乎没有空间进一步压缩后缀SFFX1、SFFX2、SFFX3。
然而，前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3中“0”或“1”的概率在许多情形下不同，或者甚至非常不同。这意味着，霍夫曼码不是最佳的并且不能达到最佳比特速率。
例如，在H.264/AVC标准中，当没有使用基于上下文的自适应二进制算术编码(CABAC)时，采用Exp-Golomb码以编码全部首标信息，而采用基于上下文的自适应可变长度编码(CAVLC)以编码变换系数信息。首标信息包括具有不同概率分布的几种语法元素。这些概率分布可以不精确地为所期望的一种Exp-Golomb码。从而，Exp-Golomb码不能达到香农(Shannon)熵。表2示出了用于三种不同语法元素的VLC码VLC1、VLC2、VLC3前缀中“0”与“1”的数目与概率：
  语法元素   0的数目/概率   1的数目/概率
  mb_qp_delta   15101/0.31   33231/0.69
  mb_skip_run   27023/0.28   68221/0.72
  ref_idx   63569/0.72   25209/0.28
表2：不同语法元素的VLC码的前缀中0与1的概率分布
使用CIF序列福尔曼(Foreman)(300帧，30f/s)以获得统计数据。轮廓(profile)为基线，启用了速率控制并且设定目标比特速率为300020bps。设定编码器参数“numberReferenceFrames”为2。从而，语法元素ref_idx仅具有两个可选值：0和1(这为Exp_Globe码的例外情况，即，H.264/AVC标准中的截短Exp_Golomb码。)。从表2可看到：对于每个语法元素而言，0和1的概率显然不同。也就是说，前缀中具有冗余。该现象由于以下原因产生：
相邻宏块中的量化参数QP大部分相同，即，“mb_qp_delta＝0”的概率大于一半，从而根据Exp_Golomb码在前缀中出现更多的“1”。
大多数的宏块没有被跳过，即，“mb_skip_run＝0”的概率大于一半，从而根据Exp_Golomb码在前缀中出现更多的“1”。
参考帧大多为紧接的上一帧，即，“ref_idx＝0”的概率大于一半，从而根据截短Exp-Golomb码在前缀中出现更多的“0”。
可将前缀中“0”和“1”的不均匀分布用于进一步压缩。
从而，提出了去除由于例如某些语法元素的可变长度码的前缀中二进制码元的不均匀分布而引起的冗余。
这导致了可变长度编码压缩性能的改进。
本发明提出在传统可变长度编码后，将许多VLC码VLC1、VLC2、VLC3的前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3编组在一起，并且使用算术编码、基于Lempel-Ziv的编码方法、基于Lempel-Ziv-Welsh的编码方法或任何其它无损压缩方法，以进一步去除由于二进制码元的不均匀分布而引起的许多VLC码VLC1、VLC2、VLC3的前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3中的冗余。
算术编码在比特流中编码“0”或“1”的概率以向解码器指示概率分布。
基于Lempel-Ziv(LZ)的压缩方法(像基于Lempel-Ziv-Welsh(LZW)的压缩方法或基于Lempel-Ziv-Renau(LZR)的压缩方法)为自适应的代码字典压缩方法，其基于重复的串(repeated string)的代码字典。对于大多数LZ方法，在编码期间自适应地建立所述代码字典，并且不需要将所述代码字典发送至解码器，因为在解码期间可以以与编码期间相同的方式来建立该代码字典。其它压缩方法需要向比特流中插入代码字典。
LZ压缩方法通常运用表格，以便通过参考该表格中的条目来替换重复出现的数据串。对于大多数LZ方法，从输入中的早先数据动态地产生该表格。该表格其本身通常为霍夫曼编码的。在包括根据Lempel-Ziv-Welch(LZW)压缩的数据的GIF图像中，以及在利用Lempel-Ziv-Renau(LZR)压缩方法进行的zip压缩中呈现LZ压缩的示例。
在图1中描述的第一示例实施例中，使用二进制符号集(binary alphabet)的算术编码以进一步改进VLC码VLC1、VLC2、VLC3的压缩性能。所述示例实施例的步骤可包括：
(1)使用传统VLC来编码多种语法元素，例如，H.264/AVC。
(2)将一些VLC码VLC1、VLC2、VLC3的前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3编组在一起，例如，将一个码片中mb_qp_delta的全部前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3编组在一起，以及将一个码片中mb_skip_run的全部前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3编组在一起。还可类似地对待其它语法元素(例如ref_idx)或与语法元素有关的系数。
(3)对每个组FBS中的前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3进行算术编码以便去除由于“0”和“1”的不均匀分布而引起的冗余。这导致压缩码A-C。与霍夫曼编码相比较，该算术编码的主要优点在于：即便对于二进制符号集也不需要进一步的分块(或编组)。通常地，二进制串的算术编码几乎可以达到其香农熵速率。
(4)如果没有使用自适应二进制算术编码，则向压缩的比特流A-C加入与“0”或“1”的概率有关的信息是有利的。算术解码器需要使用与在编码器中使用的“0”和“1”的码元概率相同的“0”和“1”的码元概率来进行准确解码。如果使用默认码元概率，则所达到的比特速率将偏离于最佳的比特速率并且从而将保持非最佳。从而，使用每个语法元素的实际码元概率进行编码、并且将所使用的码元概率与压缩数据一起发送至解码器是有利的。对于在以上示例中使用的概率精度0.01，7比特(1/128)足以表示该概率精度。该开销相对于由算术编码引起的比特减少可完全被忽略。
如果使用自适应二进制算术编码，在编码处理期间以及在解码处理期间自适应地计算概率，并且不需要从编码器向解码器发送关于码元概率的辅助信息(side information)。
示例性地，由于传统VLC码VLC1、VLC2、VLC3的前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3的进一步算术编码引起的对于表2的语法元素的比特减少为：
对于mb_qp_delta，大约为
Figure BDA0000050075340000071
其对应于大约10.7％的比特率减少，
对于mb_skip_run，大约为
Figure BDA0000050075340000072
其对应于大约14.5％的比特率减少，以及
对于ref_idx，大约为
Figure BDA0000050075340000073
其对应于大约14.5％的比特率减少。
(5)可选地，所述示例实施例中可包括插入一个或多个标志比特，其中所述标志比特指示前缀被进一步压缩以及/或者通过哪种压缩方法来进一步压缩前缀。
可向压缩码A-C附加从后缀SFFX1、SFFX2、SFFX3形成的比特序列SBS。
在图2中描述的第二示例实施例中，采用LZ、LZR或LZW压缩来进一步压缩前缀。所述另一示例实施例的步骤可包括：
(1)使用传统VLC来编码多种语法元素的，例如，H.264/AVC。
(2)将某些VLC码VLC1、VLC2、VLC3的前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3编组在一起，例如，将一个码片中mb_qp_delta的全部前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3编组在一起，以及将一个码片中mb_skip_run的全部前缀PRFX1、PRFX2、PRFX3编组在一起。还可类似地对待其它语法元素例如ref_idx或与语法元素有关的系数。
(3)使用基于Lempel-Ziv的方法(例如，zip压缩)或基于Lempel-Ziv-Welsh的方法进一步压缩所编组的前缀FBS。这导致另一压缩码LZ-C。
(4)可选地，所述另一示例实施例中可包括插入一个或多个标志比特，其中所述标志比特指示前缀被进一步压缩以及/或者通过哪种压缩方法来进一步压缩前缀。
可向另一压缩码LZ-C附加从后缀SFFX1、SFFX2、SFFX3形成的比特序列SBS。
提出了一种可变长度编码方法，其将前缀或许多VLC编码的码字编组在一起，并且然后使用第二种熵编码方法来去除由于二进制码元的不均匀分布而引起的冗余。
所提出的可变长度编码方法可以使用比特流中的一个或多个比特来指示使用了新的前缀压缩熵编码方法还是使用了传统熵编码。
使用算术编码或基于Lempel-Zip编码来压缩许多可变长度编码的码字的前缀的构思可被用于任何数据压缩情况，包括音频、图像、视频、3D网格数据、文本、文件等。

Claims (13)

1.一种用于无损压缩前缀后缀码(VLC1、VLC2、VLC3)的方法，每个前缀(PRFX1、PRFX2、PRFX3)为表示在对应后缀中包括的多个比特的一元码，所述方法包括以下步骤：
-将前缀(PRFX1、PRFX2、PRFX3)编组为第一连续比特序列(FBS)，
-将后缀编组为第二连续比特序列，以及
-通过从第一连续比特序列中去除冗余，来无损压缩至少所述第一连续比特序列(FBS)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，
-所述无损压缩步骤包括所述第一连续比特序列的算术编码。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述第一连续比特序列(FBS)的算术编码包括与第一连续比特序列(FBS)中第一值的频率与/或第二值的频率有关的信息。
4.如权利要求1所述的方法，其中，
-所述无损压缩步骤包括像Lempel-Ziv压缩或Lempel-Ziv-Welsh压缩的基于自适应代码字典的压缩。
5.如以上任一项权利要求所述的方法，其中，压缩的第一比特序列(A-C、LZ-C)包括一个或多个标志比特，其指示第一连续比特序列(FBS)被压缩以及/或者通过哪种压缩方法被压缩。
6.一种用于解压缩在压缩的前缀后缀码中编码的表示整数或码元的比特序列的方法，其中，对于每个所述前缀后缀码，前缀表示在对应后缀中包括的多个比特，所述方法包括以下步骤：
-解压缩在所述比特序列中包括的第一连续子序列(A-C、LZ-C)，其中，解压缩的第一连续子序列(FBS)包括具有相同第一值的比特的序列，所述序列由具有不同的第二值的停止比特终止，
-在所述停止比特处将解压缩的第一连续子序列(FBS)划分为前缀(PRFX1、PRFX2、PRFX3)，每个前缀(PRFX1、PRFX2、PRFX3)为具有所述相同第一值的比特的由停止比特终止的序列之一，以及
-使用所述前缀(PRFX1、PRFX2、PRFX3)将在该比特序列的剩余部分中包括的第二连续子序列(SBS)划分为后缀(SFFX1、SFFX2、SFFX3)。
7.如权利要求6所述的方法，还包括：
-提取与第一子序列(FBS)中比特值的相对频率有关的信息，其中
-使用所提取的信息通过算术解码来解压缩第一子序列(FBS)。
8.如权利要求6或7所述的方法，其中
-通过基于自适应代码字典的解压缩方法，例如通过Lempel-Ziv解压缩方法或Lempel-Ziv-Welsh解压缩方法，解压缩所述第一连续子序列(FBS)。
9.如权利要求6至8中任一项权利要求所述的方法，所述方法还包括：
-评价一个或多个标志比特，所述一个或多个标志比特指示第一连续子序列(FBS)必须被解压缩以及/或者必须通过哪种解压缩方法被解压缩，以及
-相应地解压缩所述第一连续子序列(FBS)。
10.一种载有在压缩的前缀后缀码中编码的表示整数或码元的比特序列的存储介质或信号，所述整数或码元表示与音频和/或视频有关的信息，其中，所述比特序列包括表示压缩的前缀的第一连续子序列以及表示后缀的不相交的第二连续子序列。
11.如权利要求10所述的存储介质或信号，其中，所述压缩的前缀后缀码是根据权利要求1至5之一压缩的。
12.如权利要求1至9中任一项权利要求所述的方法，或如权利要求10或11所述的存储介质或信号，其中，前缀后缀码为表示与音频和/或视频数据有关的信息的整数的可变长度码(VLC1、VLC2、VLC3)。
13.如权利要求12所述的方法、存储介质或信号，其中所述整数表示相同类型的语法元素，所述语法元素与图像或视频帧的宏块相关联。
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