CN103636206A - 上下文自适应二进制数据算术编码（cabac）解码技术 - Google Patents

Abstract

一种用于解码变换系数的方法。该方法包括：解码输入的压缩比特流的连续的比特；使用多个解码的比特计算第一符号值；如果解码的比特的总数小于特定的比特计数，那么返回第一符号值；如果解码的比特的总数等于特定的比特计数，那么计算第二符号值；以及返回第二符号值。

Description

上下文自适应二进制数据算术编码(CABAC)解码技术

技术领域

本发明一般地涉及视频数据解码器和编码器，并且更具体地涉及用于优化这些解码器和编码器的技术。

背景技术

在相关领域中，最近的努力是并行执行多个处理任务，尤其是多个视频处理任务。这成为极为重要的任务，因为，一方面视频处理的计算量非常大，但另一方面，单个处理器的处理能力无法进一步提升。典型的示例是ITU-T在2008年3月发布的H.264视频标准（以下简称“H.264标准”）。为了支持高级应用，与H.264标准兼容的解码器和编码器必须并行运行。并行运行通常包括将单个任务分解为多个子任务并且同时处理多个子任务。

然而，由于上下文自适应二进制数据算术编码（CABAC），H.264解码器/编码器不能完全并行执行。CABAC是通过H.264视频解码器进行的数据压缩/编码过程。CABAC过程是完全顺序的，即，对每一个处理步骤，所需要的输入数据依赖于前一步骤的输出数据。由于这种依赖性，压缩数据块的CABAC解码过程不能分割成多个子任务并在多个并行处理器上运行。

在变换系数的解码处理期间，进行一个这样的CABAC解码处理，其中从CABAC数据流解压缩16或64阵列变换系数。用于在此变换系数解码处理期间解码4×4或8×8子宏块阵列的操作的总体顺序包括下列步骤：1）解码非零变换系数的总数；2）解码最后一个非零变换系数的索引值；3）解码给出所有非零变换系数的索引值的二值图，以及4）对于图中的每个非零变换系数：一次解码一个比特，直到遇到零比特或已经解码了特定的比特数（例如，I=14）；以及如果已经解码特定的比特数，那么使用旁路编码（未压缩）的指数哥伦布码解码系数值。

最后的步骤（4）通常通过在通用的CABAC比特解码函数上运行循环来进行直到遇到特定的比特计数或零比特。用于执行此步骤的伪代码可以呈现如下：

decode_binary_decision是通用的CABAC比特解码函数，其中它的输入参数是CABAC对象、待解码的压缩比特流以及与解码的数据的类型相关联的上下文。被包括在压缩数据流中的数据有许多不同类型。例如，这些数据类型包括运动向量、宏块模式、预测类型和标志。每种不同类型的数据都使用它自己在CABAC解码器中预定义的上下文。解码器根据其上下文解码每个比特。

因此，对于被设计成运行在并行处理硬件上的高性能H.264视频解码器，CABAC解码是性能瓶颈，在许多情况下决定了视频解码器的整体性能。

因此，提供一种用于加速执行CABAC解码处理的解决方案是有利的。

发明内容

本发明的某些实施例包括一种用于实现变换系数的解码处理的方法。该方法包括：解码输入的压缩比特流的连续比特；使用多个解码的比特计算第一符号值（symbol value）；如果解码的比特的总数小于特定的比特计数，那么返回第一符号值；如果解码的比特的总数等于特定的比特计数，那么计算第二符号值；并返回第二符号值。

本发明的某些实施例还包括一种用于解码变换系数的解码器。该解码器包括：上下文自适应二进制数据算术编码（CABAC）解码器，用于解码输入的压缩比特流的连续比特；第一加法器，用于通过将解码的比特的数量加一来计算第一符号值；比较器，用于确定解码的比特的总数是否等于特定的比特计数；指数哥伦布码解码器，用于在解码的比特的总数等于特定的比特计数时解码输入的压缩比特流；以及第二加法器，用于通过将第一符号值和使用指数哥伦布码解码器生成的结果相加来生成第二符号值。

附图说明

在作为本说明书所附的权利要求中，特别地指出并清楚地请求保护被视为是本发明的主题。根据结合附图的以下详细描述，本发明的前述及其他特征和优点将显而易见。

图1是示出根据本发明的一个实施例实现的用于优化变换系数的解码处理的方法的流程图。

图2是示出根据本发明的一个实施例实现的用于解码具有相同的上下文的比特的处理的流程图。

图3是示出根据本发明的一个实施例实现的用于解码连续的比特的处理的流程图。

图4是根据本发明的一个实施例构建的解码器的框图。

具体实施方式

重要的是，应该注意到，本发明所公开的实施例只是本说明书的创新性教导的许多有利使用的若干示例。一般情况下，在本申请的说明书中做出的陈述不一定限制各个请求保护的发明中的任何一个或几个。此外，一些陈述可能适用于某些创造性特征，但不适用于其他的。一般情况下，除非另有说明，单数元件可以是复数，反之亦然，而不会丧失一般性。在附图中，相似的标号指代全部几个视图中的相似的部件。

根据本发明的原理，本说明书中公开的技术在H.264标准定义的变换系数的解码处理过程中执行，其中从CABAC比特流中解压缩出16或64的阵列变换系数。具体地说，所公开的技术被设计为优化一次解码一个比特直到遇到零比特或达到特定的比特计数的子处理。该子处理对每一个非零变换系数执行。

根据本发明的原理，该方法通过使用相同的CABAC上下文，解码具有相同的值的连续的比特来实现，直到遇到特定的比特计数或零比特。该功能可以用下面的伪代码来呈现：

symbol=1+decode_consecutive(cabac,bitstream,context,1,unary_max-1)

应该理解的是，使用该方法可以实现两个级别的优化。第一级别是通过除去对通用CABAC比特解码函数（decode_binary_decision）的重复调用来减少执行开销，第二级别的优化通过解码具有相同的值的连续的比特来实现。

图1示出了根据本发明的一个实施例实现的用于优化变换系数的解码处理的方法的示例性和非限制性流程图100。在S110中，执行用于解码具有相同的上下文值的连续的比特的处理（decode_consecutive）。该处理接收三个输入参数：对将被解码的比特的上下文的引用、对压缩比特流的引用和对包括范围和偏移整数值的CABAC解码器对象的引用。步骤S110生成解压缩的比特流，并返回解码的比特的数量。根据本发明的一个实施例，decode_consecutive处理在每次迭代中使用相同的上下文解码来自解码的CABAC比特流的多个相同值的比特。根据另一实施例，decode_consecutive处理基于：计算连续的大概率符号（MPS）比特的最小数量，然后在不检查每个比特的值的情况下在紧凑循环（tight loop）中对于每个比特推进CABAC解码器的状态机。S110的执行将在下面参照图2和3更详细地描述。

在S120中，符号值被计算为decode_consecutive处理的解码的比特的总数加1。也就是说，符号值=总比特+1。在S130中，检查解码的比特的总数是否等于特定的比特计数（I）。如果是等于，那么在S140中继续执行；否则，返回（S160）符号值，结束执行。

在S140，使用指数哥伦布码解码压缩的比特流。在S150，符号值通过将在S120计算得到的符号值和在S140生成的解码的比特流相加来进行计算。此后，在S160继续执行。如可以从上面的描述和流程图100理解的，处理decode_consecutive只调用一次，并非对比特流中的每个比特都调用，从而加速执行变换系数的解码处理。

图2示出了根据本发明的一个实施例实现的用于解码具有相同的上下文的比特的decode_consecutive处理的示例性和非限制性的流程图S110。根据上面的描述，该处理的输入参数是上下文、比特流和包括范围和偏移整数值的CABAC解码器对象。该处理生成解压缩的比特流，并返回解码的比特的数量。

比特流的数据类型使用它自己在CABAC解码器中的上下文。CABAC解码器中的每个上下文都具有两个状态信息参数：大概率符号（MPS）的值，其可以是与上下文对应的“1”或“0”；以及状态整数，其表示大概率符号的相对概率。为了识别二元决策是MPS还是小概率符号（LPS），而不是“0”或“1”的目的，区分MPS和LPS是有用的。CABAC解码器保持两个附加的参数：不论上下文如何，解码任何比特所需要的范围整数和偏移整数。该范围和偏移值封装与CABAC解码器有关的最低等级状态信息。这两个值必须作为一对使用，两个值中的任何一个在没有另一个的情况下都没有任何意义。

在S205，使用上下文的状态参数和CABAC的范围参数的值来计算子范围值。该步骤包括计算粗略的范围值，以及使用该粗略范围和上下文状态值在查找表中找到子范围值。步骤S205的一个可能的实现可以在H.264标准第238页中找到。应该指出的是，当特定的CABAC上下文状态严重偏向大概率符号时，子范围值相对较小。在S210，通过从CABAC解码器的范围值减去子范围值计算得到新的范围值（即，范围=范围-子范围）。

在S215，进行检查以确定CABAC解码器的偏移值是否小于计算得到的新的范围值。如果小于，那么在S220中，返回具有等于该MPS值的值的解压缩的输出比特。然后，在S230，更新上下文的状态参数，例如通过增加状态参数的值以指示大概率符号甚至更加可能。

如果S215的结果是否定答案，那么在S235继续执行，其中返回具有等于LPS值的值的解压缩的输出比特（即，LPS值=1-MPS值）。此后，在S240，更新上下文的状态参数，以指示大概率符号比之前可能性小，并且可以反转大概率符号的值。在S245，通过从偏移值中减去范围值来计算得到新的偏移值。此外，该范围值被设置为子范围值。对本领域的技术人员来说应该明显的是，步骤S215、220和235是以算术编码为基础，允许使用偏移和范围值以及MPS和LPS的已知概率对比特解码。

在S250，进行检查以确定新的范围值是否小于预定的范围值（PRV）。如果小于，那么在S255，范围和偏移值都乘以2，并将偏移值和从压缩的比特流读出的新的比特相加。此后，执行返回S250。在一个实施例中，PRV被设置为如在H.264标准中定义的256。应该注意的是，步骤S250和S255是由CABAC解码器执行的重归一化（renormalization）处理的一部分。

如果S250结果的答案是否定的，那么在S260，进行检查，以确定是否遇到零比特。如果遇到，那么在S265，返回解码的比特的总数。此外，CABAC解码器的范围和偏移参数，以及上下文的大概率符号和状态可以被更新到它们的计算值。如果未遇到零比特，那么在S270，解码的比特的总数增加1。在S275，检查总比特数是否等于应该被解码的比特数量的特定的比特计数（Ⅰ）减1（例如，I-1），如果等于，那么在S265继续执行；否则，执行返回到S205。

图3示出了根据本发明的另一个实施例实现的decode_consecutive处理的示例性和非限制性流程图S110。该处理生成解压缩的比特流，并返回解码的比特的数量。在本实施例中，解码基于：计算连续的大概率符号比特的最小数量，然后在不需要检查每个比特的值的情况下在紧凑循环中对于每个比特推进CABAC解码器的状态机。

在S302，接收包括上下文和其状态的输入参数、MPS参数、压缩的比特流以及包括范围和偏移整数值的CABAC解码器对象。在S305，使用上下文的状态参数和CABAC解码器的范围参数的值来计算子范围值。

在S310，使用子范围、范围和偏移值计算输入比特流中连续的大概率符号比特的最小数量（mpbits）。在一个实施例中，mpbits使用以下公式计算：

mpbits={（range-offset）-1）/sub-range

在S315，进行检查，以确定mpbits值是否大于0，即，比特流中的是否存在至少一个大概率符号比特。如果是，那么在S320继续执行；否则，在S330，解码比特流中的比特，根据LPS值，一次一个比特。

具体地说，步骤S330包括：返回具有等于LPS值的值的解压缩的输出比特（S331）；更新上下文的状态和MPS值，以指示大概率符号比之前可能性更小（S332）；通过从偏移值减去范围值计算新的偏移值；将范围值设定为子范围值（S333）；执行重归一化处理（S334和S335）；当重归一化处理完成时，检查是否遇到零比特（S336），如果遇到，那么前进到S370，返回解码的比特的总数；否则，将解码的总比特数增加1（S337）；以及检查总比特数是否等于应该被解码的比特数量的特定的比特计数（I）减1（S338），并且如果是，那么在S370继续；否则，返回到S305。

如果存在至少一个具有大概率符号（MPS）值的比特，那么执行到达S320。因此，返回具有等于MPS值的值的解压缩的输出比特。此外，在S320，计算新的范围值。在S325，更新上下文的状态参数，通过例如增加状态参数值，以指示大概率符号甚至更加可能。在S340和S345，如上所述执行重归一化处理。

如果新的范围值等于或大于PRV，那么在S350，进行检查，以确定是否遇到零比特。如果遇到，那么在S370，返回解码的比特的总数。此外，CABAC解码器的范围和偏移参数，以及上下文的大概率符号和状态可以被更新到它们的计算值。如果未遇到零比特，那么在S360，继续执行，其中执行用于处理具有相同的值的MPS连续比特的内循环过程。

具体地说，S360允许在不检查每个比特的值的情况下对MPS连续比特中的每一个比特推进CABAC解码器的状态机。这在使用一元码对较大值的变换系数进行编码情形中特别有用。在此情形中，每个比特具有作为“1”的较高概率和作为“0”的较低概率。例如，如果使用一元码对值为10的变换系数进行编码，那么得到的二进制数据是1111111110。在S360执行期间，在不解码值为1的比特的情况下推进CABAC解码器，从而显著减少解码整个比特流所需的时间。

S360的执行包括将解码的总比特数增加1，将mpbits值减去1（S361）；检查比特的总数是否等于应该被解码的比特数量的特定的比特计数（Ⅰ）减1（S362）；以及如果是，那么在S370继续；否则，检查mpbits值是否大于0（S363），如果是，那么使用范围和状态值计算子范围值（S364）；通过从范围值减去子范围值计算新的范围值（S365）；更新上下文的状态参数，以指示大概率符号甚至更加可能（S366）；执行重归一化处理（S367,S368）；以及如果新的范围值大于或等于PRV，那么返回到S361。

应该理解的是，此处描述的优化技术在H.264高质量视频应用中尤其有用，因为通常这些应用中的视频流以较高的比特率编码。编码流在残差数据中包含许多较大值的变换系数。这些残差数据占用在高质量比特流中编码的数据总量的很大一部分。此外，较大值的变换系数使用一元码编码，每个比特具有作为“1”的较高概率和作为“0”的较低概率。如上面更详细地描述的，步骤S360被设计为加速对一元码的解码，从而加速对较大值的变换系数的解码。

图4是根据本发明的一个实施例实现的用于解码变换系数的解码器400的示例性和非限制性的图。解码器400包括上下文自适应二进制数据算术编码（CABAC）解码器410，用于对输入的压缩比特流的连续比特进行解码。CABAC解码器110执行上面详细描述的decode_consecutive。CABAC解码器110可以工作在两种模式。第一模式包括使用相同的上下文对解码的CABAC比特流中的多个相同值的比特解码。第二模式包括：计算连续的大概率符号（MPS）比特的最小数量，然后在不检查每个比特的值的情况下在紧凑循环中对每个比特推进CABAC解码器的状态机。

解码器400还包括第一加法器430，用于通过在CABAC解码器410解码的解码比特总数上加上整数数字1来计算第一符号值；比较器420，用于确定解码比特的总数是否等于特定的比特计数；指数哥伦布码解码器430，用于在解码比特的总数等于特定的比特计数时对输入的压缩比特流进行解码；以及第二加法器440，用于通过将第一符号值与指数哥伦布码解码器430生成的结果相加来生成第二符号值。

上述详细的描述已经阐明了本发明可以采取的许多形式中的几种形式。上述详细的描述应该理解为选择的本发明可以采取的形式的示例，不应该理解为是对本发明的定义的限制。只有权利要求书（包括所有等效物）才能够限定本发明的范围。

最优选地，本发明的原理实施为硬件、固件和软件的任意组合。此外，软件优选地实现为有形地实施在程序存储单元或计算机可读介质上的应用程序。本领域的普通技术人员应该认识到，“机器可读介质”是能够存储数据并可以是数字电路、模拟电路或它们的组合的形式的介质。应用程序可以上传到并由包括任何合适的架构的机器来执行。优选地，机器在具有硬件（例如，一个或多个中央处理单元（“CPU”）、存储器和输入/输出接口）的计算机平台上实现。计算机平台还可以包括操作系统和微指令代码。这里描述的各种处理和功能可以是微指令代码的一部分或应用程序的一部分，或者它们的任意组合，可以由CPU来执行，不论是否明确示出该计算机或处理器。此外，各种其他的外围单元可以连接到计算机平台，如附加的数据存储单元和打印单元。

Claims (20)

1.一种用于解码变换系数的方法，包括：

解码输入的压缩比特流的连续的比特；

使用多个解码的比特计算第一符号值；

如果解码的比特的总数小于特定的比特计数，那么返回第一符号值；

如果解码的比特的总数等于该特定的比特计数，那么计算第二符号值；以及

返回第二符号值。

2.如权利要求1所述的方法，其中计算第一符号值进一步包括：

在解码的比特的总数上加一。

3.如权利要求1所述的方法，其中计算第二符号值进一步包括：

使用指数哥伦布码来解码输入的压缩比特流；以及

将第一符号值与由指数哥伦布码解码生成的结果相加。

4.如权利要求1所述的方法，其中输入的压缩比特流是解码的上下文自适应二进制数据算术编码（CABAC）比特流。

5.如权利要求4所述的方法，其中解码连续的比特，进一步包括：

使用相同的CABAC上下文来解码具有相同的值的多个比特。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括：

接收上下文值、输入的压缩比特流和CABAC解码器对象，其中CABAC解码器对象包括范围值和偏移值；

计算子范围值；

通过从范围值中减去子范围值计算新的范围值；

检查偏移值是否小于新的范围值；

如果偏移小于新的范围值，那么返回具有等于大概率符号（MPS）值的值的解压缩的输出比特；以及

如果偏移大于或等于新的范围值，那么返回具有等于小概率符号（LPS）的值的解压缩的输出比特。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括：

执行重归一化处理；

检查是否遇到零比特；

如果遇到零比特，那么返回解码的比特的总数；

如果未遇到零比特，那么使得对解码的比特的总数计数的计数器递增；以及

如果解码了特定的最大数量的比特，那么返回解码的比特的总数。

8.如权利要求7所述的方法，其中执行重归一化处理包括：

从输入的压缩比特流连续地读取新的比特，直到范围值大于或等于预定的范围值（PRV）。

9.如权利要求1所述的方法，其中解码连续的比特包括：

计算输入的压缩比特流中连续的大概率符号比特的最小数量；

在不检查每个比特的值的情况下对连续的大概率符号比特中的每一个比特推进CABAC解码器的状态机。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

接收上下文值、输入的压缩比特流和CABAC解码器对象，其中CABAC解码器对象包括范围值和偏移值；

使用范围值和偏移值计算子范围值；

计算输入的压缩比特流中的连续的大概率符号比特的最小数量（mpbits）；

如果连续的大概率符号比特的最小数量大于零，那么返回具有等于大概率符号值的值的解压缩的输出比特；以及

如果连续的大概率符号比特的最小数量等于零，那么返回具有等于小概率符号值的值的解压缩的输出比特。

11.如权利要求10所述的方法，其中返回具有等于大概率符号值的值的解压缩的输出比特，进一步包括：

通过从子范围值中减去范围值计算新的范围值；

执行归一化处理；

完成归一化处理之后，检查是否在连续的大概率符号比特中遇到零比特；

如果未遇到零比特，那么对大概率符号连续比特中的每一个比特迭代地推进CABAC解码器的状态机；以及

当遇到零比特或达到特定的比特计数时，返回解码的比特的总数。

12.一种在其上存储有指令的计算机可读介质，当所述指令通过计算机执行时，执行一种用于解码变换系数的方法，包括：

解码输入的压缩比特流的连续的比特；

使用多个解码的比特计算第一符号值；

如果解码的比特的总数小于特定的比特计数，那么返回第一符号值；

如果解码的比特的总数等于该特定的比特计数，那么计算第二符号值；以及

返回第二符号值。

13.一种用于解码变换系数的解码器，包括：

上下文自适应二进制数据算术编码（CABAC）解码器，用于解码输入的压缩比特流的连续的比特；

第一加法器，用于通过将解码的比特的数量加一来计算第一符号值；

比较器，用于确定解码的比特的总数是否等于特定的最大数量；

指数哥伦布码解码器，用于在解码的比特的总数等于特定的比特计数时解码输入的压缩比特流；以及

第二加法器，用于通过将第一符号值和由指数哥伦布码解码器生成的结果相加来生成第二符号值。

14.如权利要求4所述的解码器，其中解码连续的比特，进一步包括：

使用相同的CABAC上下文来解码具有相同的值的多个比特。

15.如权利要求14所述的解码器，进一步包括：

接收上下文值、输入的压缩比特流和CABAC解码器对象，其中CABAC解码器对象包括范围值和偏移值；

计算子范围值；

通过从子范围值中减去范围值计算新的范围值；

检查偏移值是否小于新的范围值；

如果偏移小于新的范围值，那么返回具有等于大概率符号（MPS）值的值的解压缩的输出比特；以及

如果偏移大于或等于新的范围值，那么返回具有等于小概率符号（LPS）的值的解压缩的输出比特。

16.如权利要求15所述的解码器，进一步包括：

执行重归一化处理；

检查是否遇到零比特；

如果遇到零比特，那么返回解码的比特的总数；

如果未遇到零比特，那么使得对解码的比特的总数进行计数的计数器递增；以及

如果解码了特定的最大数量的比特，那么返回解码的比特的总数。

17.如权利要求16所述的解码器，其中执行重归一化处理包括：

从输入的压缩比特流连续地读取新的比特，直到范围值大于或等于预定的范围值（PRV）。

18.如权利要求13所述的解码器，其中解码连续的比特包括：

计算输入的压缩比特流中连续的大概率符号比特的最小数量；以及

在不检查每个比特的值的情况下对连续的大概率符号比特中的每一个比特推进CABAC解码器的状态机。

19.如权利要求18所述的解码器，进一步包括：

接收上下文值、输入的压缩比特流和CABAC解码器对象，其中CABAC解码器对象包括范围值和偏移值；

使用范围值和偏移值计算子范围值；

计算输入的压缩比特流中的连续的大概率符号比特的最小数量（mpbits）；

如果连续的大概率符号比特的最小数量大于零，那么返回具有等于大概率符号值的值的解压缩的输出比特；以及

如果连续的大概率符号比特的最小数量等于零，那么返回具有等于小概率符号值的值的解压缩的输出比特。

20.如权利要求19所述的解码器，其中返回具有等于大概率符号值的值的解压缩的输出比特，进一步包括：

通过从子范围值中减去范围值计算新的范围值；

执行归一化处理；

在完成归一化处理时，检查是否在连续的大概率符号比特中遇到零比特；

如果未遇到零比特，那么对大概率符号连续比特中的每一个比特迭代地推进CABAC解码器的状态机；以及

当遇到零比特或达到特定的比特计数时，返回解码的比特的总数。

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