CN1174634C - 基于上下文的算术编码/解码方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于对包括多个二进制块的二进制形状信号进行编码的装置，其根据一相应上下文计算一目标象素的上下文数，并检测对应于该上下文数的概率；通过将该概率与预定阈值进行比较，确定各二进制象素的状态和预测的象素值；通过将该预测的象素值与其的原始象素值进行比较，计算各二进制象素的映象值；产生一被划分成第一和第二序列的被重新整理的二进制块；及对该第一和第二序列进行算术编码，从而产生被编码的二进制形状信号。

Description

基于上下文的算术编码/解码方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于对二进制形状信号进行编码/解码的方法和装置；且更具体地，涉及一种用于加强二进制形状信号的编码效率的基于上下文的算术编码/解码方法及装置。

背景技术

表示一目标的位置和形状的二进制形状信号可被表达为例如一帧内16×16二进制象素的二进制α块(BAB)(或视频目标平面)，其中各二进制象素具有例如表示一背景象素或一目标象素的0或1的二进制值。BAB可通过使用例如基于上下文的算术编码(CAE)方法的常规的基于位图的形状编码方法被编码。

例如，对于帧内(intra-frame)，一当前BAB通过使用常规的帧内CAE法被编码，其中该当前BAB内的各象素根据由自一当前帧选择的一组象素组成的帧内上下文而被算术地编码。换句话说，当对该当前BAB进行编码时，来自相邻BAB的象素被用于构成该帧内上下文。如图3所示，围绕该当前BAB的一宽度为2的边界被使用以提供一当前带有边界的BAB。在图3中，该带有边界的BAB的淡灰色区域中的象素为该当前BAB待被编码的部分，而该带有边界的BAB的黑色区域中的象素为该边界象素。除了那些标以“0”的在解码时间不被所知的象素外，这些象素是从先前编码及重构的BAB获得的。根据该当前带有边界的BAB，该帧内上下文被选择，如图1中所示。因此，在图1中，一带有阴景的象素，即该当前BAB内的一象素通过使用其帧内上下文10，即c0至c9而被编码。

对于帧间(inter-frame)，该当前BAB可通过使用帧内CAE或帧间CAE技术(依据于该两种技术中那种技术生成更少量的编码数据)被编码。根据帧间CAE技术，表示该当前BAB与一先前帧中所包括的它的各预定候选BAB之间的差异的一误差被首先计算，且一最相似的候选BAB和一运动矢量通过一运动估算技术而被找出，其中该最相似的候选BAB表示一在这些候选BAB中生成最小误差的候选BAB，而该运动矢量表示该当前BAB与该最相似的候选BAB之间的位移。然后，该当前BAB中的各象素根据一帧间上下文被算术地编码且表示该运动矢量和其一运动矢量预测值(MVDP)之间的差异的一运动矢量差(MVD)通过使用例如可变长度编码(VLC)方案被编码。参见图2A和2B，该帧间上下文由例如图2A中的C0至C3的第一象素子集20A和例如图2B中的C4至C8的第二象素子集20B的两象素子集组成，其中该第一象素子集是以与帧内CAE中所用的相似方式被从当前帧中的象素选出的，而该第二象素子集是根据该运动矢量被从该先前帧中选出的。即，通过使用该运动矢量而从该先前帧检测到的围绕一被运动补偿的BAB的宽度为1的一边界被采用以提供一带有边界的被运动补偿的BAB，如图4中所示。在图4中，该淡灰色区域对应于该被运动补偿的BAB而该黑色区域对应于该边界。一旦该带有边界的被运动补偿的BAB被确定，包含有二进制象素C4至C8的该第二象素子集20B被从该带有边界的被运动补偿的BAB选出，其中象素C6的象素位置等同于该带有阴影的象素的位置。

因此，如上所述，帧内上下文或帧间上下文被选择，该当前BAB中带有阴影象素的上下文数目根据其对应的上下文被计算。一旦该带有阴影象素的上下文数目被计数，对应于该上下文数目的一概率被从包含有分配给各不同上下文数目的预定概率的一概率表检测出，并且该被检测的概率被算术地编码，从而产生一被编码的二进制形状信号。该CAE技术及该MVD的细节可见于MPEG-4Video Verification Model Version 7.0，国际标准化组织，活动图象及相关音频信息的编码。ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 MPEG97/N1642，布里斯托尔，1997年4月。

尽管通过使用如上所述的常规CAE技术减少了待被发送的比特数，但在发送二进制形状信号中仍需大量的比特。因此，仍期望进一步减少在编码二进制形状信号中所用的比特数。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种通过使用自适应算术编码技术而自适应地对二进制形状信号进行编码，从而减少了发送数据量的方法和装置。

根据本发明的一方面，提供了一种用于通过使用基于上下文的算术编码(CAE)算法，对包括多个二进制块的二进制形状信号进行编码的方法，各二进制块具有M×N二进制象素，M和N分别为正整数，且各二进制象素具有分别表示一目标的外部及内部的两不同二进制值之一，该方法包括有步骤：(a)根据一相应上下文计算一目标象素的上下文编号，并检测对应于该上下文编号的概率，其中该目标象素为该二进制块中的二进制象素之一，且该上下文是从在该目标象素之前被处理的二进制象素中确定的；(b)通过将该目标象素的概率与预定阈值进行比较来确定该目标象素的状态及预测的象素值；(c)通过将该预测的象素值与其的原始象素值进行比较来指定该目标象素的映象值，其中该映象值表示该预测的象素值是否等于该原始象素值；(d)重复步骤(a)至(c)直至该二进制块中的所有二进制象素都被处理；(e)响应其状态，重新整理该二进制块的映象值以产生第一和第二序列；及(f)检测对应于第一和第二序列的最佳概率集以生成表示哪些概率集被检测的一选择信号，并根据该些最佳概率集对该第一和第二序列进行算术地编码以生成编码的二进制数据；及(g)多路复用该选择信号和该编码的二进制数据，从而产生被编码的二进制形状信号。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于通过使用基于上下文的算术编码(CAE)算法，对包括多个二进制块的二进制形状信号进行编码的装置，各二进制块具有M×N二进制象素，M和N分别为正整数，且各二进制象素具有分别表示一目标的外部及内部的两不同二进制值之一，该装置包括：一上下文编号计算装置，用于根据一相应上下文计算一目标象素的上下文编号，并检测对应于该上下文编号的概率，其中该上下文是从在该目标象素之前被处理的二进制象素中确定的；一状态确定装置，用于通过将该概率与预定阈值进行比较，确定各二进制象素的状态和预测的象素值；一比较装置；用于通过将该预测的象素值与其的原始象素值进行比较，指定各二进制象素的映象值，其中该映象值表示该预测的象素值是否等于该原始象素值；一重新整理装置，用于响应该二进制块的所有二进制象素的状态，重新整理该二进制块的所有二进制象素的映象值以产生第一和第二序列；检测装置，用于检测对应于第一和第二序列的最佳概率集以生成表示哪些概率集被检测的一选择信号，并根据该些最佳概率集对该第一和第二序列进行算术地编码以生成编码的二进制数据；及多路复用装置，用于多路复用该选择信号和该编码的二进制数据，从而产生被编码的二进制形状信号。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于对一被编码的二进制形状信号进行解码，从而提供一被解码的二进制形状信号的装置，包括：多路分解装置，用于将该编码的二进制形状信号多路分解成一编码的选择信号和编码的二进制数据；解码装置，用于解码该编码的选择信号，以生成表示哪些概率集被检测的以解码的选择信号，并根据这些概率集对该编码的二进制数据进行解码，从而提供一被解码的包含有第一和第二序列的二进制形状数据，其中该第一和该第二序列具有这些二进制象素的重构的映像值；一上下文编号计算装置，用于根据一相应上下文计算各二进制象素的上下文编号，并检测对应于该上下文编号的一概率，其中该上下文是从在各该二进制象素之前被重构的二进制象素中被确定；一状态确定装置，用于通过将该概率与预定的阈值进行比较来确定各二进制象素的状态和预测的象素值；一选择装置，用于响应于各二进制状态，从该第一或第二序列中为各进制象素取这些重构的映象值之一；及一提供装置，用于通过将该所取的重构的映象值与该预测的象素值进行比较来重构各二进制象素的一二进制象素值，并序列地提供对应于该被解码的二进制形状数据的重构的二进制象素值作为该被解码的二进制形状信号。

通过以下结合附图对优选实施例的描述，本发明的以上及其它目的，特征和优点将变得显然，附图中：

附图说明

图1示出了一帧内样板及上下文构成；

图2A和2B表示一帧间样板及上下文构成；

图3示出了一当前带有边界的BAB；

图4示出了一带有边界的被运动补偿的BAB；

图5为根据本发明的一基于上下文的算术编码装置的方框图；及

图6给出了根据本发明的一基于上下文的算术解码装置的方框图。

具体实施方式

参见图5，提供了根据本发明的一优选实施例的一基于上下文的算术编码装置的方框图。

一二进制形状信号包含有多个二进制块，各二进制块具有M×N，例如16×16个二进制象素，且各二进制象素包括一表示一目标象素或一背景象素的例如1或0的二进制值，其中M及N分别为正整数。该二进制形状信号的各块被传送给一存储单元110并存入其中作为一当前二进制块。然后，该当前二进制块中的各二进制象素被提供给一比较单元40作为当前象素。

同时，上下文数计算单元120通过使用其相应的上下文，即或者一帧内上下文或者一帧间上下文，以与常规CAE技术中所用的相同方式计算对应于该当前二进制块中各二进制象素的上下文数。该上下文数计算单元120还根据如在现有技术中已作出的概率表，检测对应于该上下文数的一概率。该上下文数及其概率被分别提供给一状态确定单元130作为对应于该当前象素的一当前上下文数和一当前概率。

该状态确定单元130将来自上下文数计算单元120的当前概率与一预定阈值相比较以确定具有该上下文数的该当前象素是否属于一良好状态或一不良状态。如果在该比较中，该当前概率被确定为大于或等于该预定阈值，该当前象素被判定为良好状态，否则，该当前象素被确定为不良状态。该状态确定单元130发送一表示该当前象素的状态的状态指示信号给比较单元140。该状态确定单元130还将对应于该当前象素的一预测象素值提供给该比较单元140。该预测象素值通过将该当前概率与一预测阈值，例如最大概率的二分之一值进行比较而被确定。根据通过考虑例如一二进制值0而确定的该概率表，如果该当前概率大于或等于该预测阈值，一二进制数0被确定，否则，一二进制值1被判定为该预测象素值。

根据本发明的另一实施例，该阈值可具有两个等级，例如一高等级和低等级以确定一二进制象素的状态。换句话说，如果该当前概率大于或等于该高等级或小于该低等级，该当前象素被判定为良好状态，否则，即如果该当前概率小于该高等级且大于或等于该低等级，该当前象素被确定为不良状态。

然后，比较单元140将自状态确定单元130传送的预测象素值与自存储单元110提供的当前象素值进行比较。如果在比较中，该预测象素值和该当前象素值被确定为相互等同，该比较单元140将一映象值“0”分配给该当前象素，否则，一映象值“1”被分配给该当前象素。包括该映象值和该状态指示信号的当前象素信息被传送给一重新整理单元150。

上述处理对该当前二进制块中的所有二进制象素重复执行，然后，各二进制象素的当前象素信息被序列地提供给该重新整理单元150。

该重新整理单元150存储当前二进制块中所有二进制象素的当前象素信息并响应于它们对应的状态指示信号，通过重新整理该当前象素信息中的映象值而产生第一和第二序列。该第一序列包含对应于被确定为良好状态的二进制象素的映象值而该第二序列包含对应于被确定为不良状态的二进制象素的映象值。该重新整理单元150还对第一和第二序列中的映象值“0”的数目进行计数，并将计数的数目提供给一概率集确定单元160。

该概率集确定单元160通过使用从该重新整理单元150导出的计数，分别检测对应于第一和第二序列的最佳概率集，并产生一表示哪个概率集被检测的选择信号。该选择信号被编码且然后通过线路L10提供给一多路复用器180。及该最佳概率集经过线路L20被馈送给一自适应算术编码单元170。

根据本发明，随着计数的增大，分配给具有数字0的映象值的一概率变大，而分配给具有数字1的映象值的一概率变小。

自适应算术编码单元170根据自该概率集确定单元160经线路L20提供的该最佳概率集，通过使用已知的算术编码技术来对第一和第二序列进行编码，从而提供被编码的二进制数据给多路复用器180。

在多路复用器180，来自自适应算术编码单元170的该被编码的二进制数据和来自概率集确定单元160的该被编码的选择信号被多路复用，从而产生一被编码的二进制形状信号以通过一发射机(未示出)被发送。

在图6中，提供有一根据本发明的优选实施例的基于上下文的算术解码装置的方框图。

通过一发送信道被发送的该被编码的二进制形状信号被输入给一多路分解器200。

该多路分解器200将该被编码的二进制形状信号划分成一被编码的选择信号和一被编码的二进制数据。该被编码的选择信号一线路L40被传送给一概率集确定单元210，而该被编码的二进制数据通过一线路L30被提供给一自适应算术解码单元220。

该概率集确定单元210对该被编码的选择信号进行解码，以产生一被解码的选择信号并响应于该被解码的选择信号检测概率集。

该自适应算术解码单元220根据该检测的概率集，通过使用与在自适应算术编码单元170中所用的基于上下文算术编码技术相对应的已知的基于上下文的算术解码技术对该被编码的二进制数据进行解码，并将包含有第一和第二序列的该被解码的二进制数据提供给一存储单元230，其中该第一序列具有被确定为良好状态的二进制象素的被解码的映象值，第二序列包括被判定为不良状态的二进制象素的被解码的映象值。由第一和第二序列组成的该被解码的二进制数据被存储在存储单元230中。

同时，上下文数计算单元240通过使用从在该处理二进制象素之前被重构的二进制象素选出的其上下文，计算对应于该当前二进制块中包含的各二进制象素的一处理二进制象素的上下文数。在上下文数计算单元240中计算的该上下文数被传送给一状态确定单元250。

该状态确定单元250首先找出对应于从上下文数计算单元240导出的上下文数的一概率，并通过将该概率与在图5中的基于上下文算术编码装置中所述的该预定阈值相比较来判定该处理二进制象素的状态。因此，如果该概率大于或等于该预定阈值，该处理二进制象素被确定为良好状态。否则，该处理二进制象素被判定为不良状态。该状态确定单元250产生一表示对该处理二进制象素确定的良好或不良状态的一状态指示信号。而且，根据图5中的基于上下文算术编码装置中所说明的概率，检测该处理二进制象素的一预测象素值。该预测象素值及该状态指示信号被提供给一重新整理单元260。

该重新整理单元260响应于自状态确定单元250输出的状态指示信号，从存储单元230中存储的第一或第二序列中取一映象值。换句话说，如果该状态指示信号表示良好状态，该重新整理单元260从存储单元230中存储的第一序列取该映象值，而如果该状态指示信号表示不良状态，从在存储单元230中保留的第二序列中包括的映象值中检测出该映象值。接着，该重新整理单元260通过将该映象值与来自状态确定单元250的该预测象素值进行比较，重构该处理二进制象素的一二进制象素值。如果该映象值具有数字0，该预测象素值被固定为该重构的象素值。否则，即如果该映象值具有数字1，该预测象素值的一倒置的二进制值被确定为该重构的象素值。各重构的象素值被输出作为一被解码的二进制形状信号。

重复执行上述解码处理直至该当前二进制块的所有象素值被重构。

尽管参照具体实施例对本发明进行了描述，但对于本领域的熟练技术人员而言，显然可在不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神及范围的前提下作出各种变化和改型。

Claims (17)

1、一种用于通过使用基于上下文的算术编码(CAE)算法，对包括多个二进制块的二进制形状信号进行编码的方法，各二进制块具有M×N二进制象素，M和N分别为正整数，且各二进制象素具有分别表示一目标的外部及内部的两不同二进制值之一，该方法包括有步骤：

(a)根据一相应上下文计算一目标象素的上下文编号，并检测对应于该上下文编号的概率，其中该目标象素为该二进制块中的二进制象素之一，且该上下文是从在该目标象素之前被处理的二进制象素中确定的；

(b)通过将该目标象素的概率与预定阈值进行比较来确定该目标象素的状态及预测的象素值；

(c)通过将该预测的象素值与其的原始象素值进行比较来指定该目标象素的映象值，其中该映象值表示该预测的象素值是否等于该原始象素值；

(d)重复步骤(a)至(c)直至该二进制块中的所有二进制象素都被处理；

(e)响应其状态，重新整理该二进制块的映象值以产生第一和第二序列；及

(f)检测对应于第一和第二序列的最佳概率集以生成表示哪些概率集被检测的一选择信号，并根据该些最佳概率集对该第一和第二序列进行算术地编码以生成编码的二进制数据；及

(g)多路复用该选择信号和该编码的二进制数据，从而产生被编码的二进制形状信号。

2、根据权利要求1的方法，其中步骤(b)包括有步骤：

(b11)通过将该概率与一预定阈值相比较，将一良好状态或不良状态分配给该目标象素，其中如果该概率大于或等于该预定阈值，该目标象素被确定为良好状态，否则，该目标象素被判定为不良状态；及

(b12)通过将该概率与预测阈值相比较，提供该目标象素的该预测象素值。

3、根据权利要求1的方法，其中步骤(b)包括有步骤：

(b21)通过将该概率与一高等级和一低等级相比较，将一良好状态或不良状态分配给该目标象素，其中如果该概率大于或等于该高等级，或小于该低等级，该目标象素被确定为良好状态，否则，该目标象素被判定为不良状态；及

(b22)通过将该概率与预测阈值相比较，提供该目标象素的该预测象素值。

4、根据权利要求2或3的方法，其中，在步骤(c)中，如果该预测象素值等于该原始象素值，该映象值具有一二进制值0，否则，该映象值具有一二进制值1。

5、根据权利要求4的方法，其中步骤(f)包括有步骤：

(f1)计数第一和第二序列中的映象值0的数目，从而提供该计数；

(f2)通过使用该计数，检测分别对应于第一和第二序列的最佳概率集以生成表示哪些概率集被检测的选择信号；及

(f3)通过使用该些最佳概率集，对第一和第二序列进行算术编码以生成编码的二进制数据。

6、根据权利要求5的方法，其中随着该计数增大，一更大的概率被分配给映象值0且一更小的概率对应于映象值1。

7、一种用于通过使用基于上下文的算术编码(CAE)算法，对包括多个二进制块的二进制形状信号进行编码的装置，各二进制块具有M×N二进制象素，M和N分别为正整数，且各二进制象素具有分别表示一目标的外部及内部的两不同二进制值之一，该装置包括：

一上下文编号计算装置，用于根据一相应上下文计算一目标象素的上下文编号，并检测对应于该上下文编号的概率，其中该上下文是从在该目标象素之前被处理的二进制象素中确定的；

一状态确定装置，用于通过将该概率与预定阈值进行比较，确定各二进制象素的状态和预测的象素值；

一比较装置；用于通过将该预测的象素值与其的原始象素值进行比较，指定各二进制象素的映象值，其中该映象值表示该预测的象素值是否等于该原始象素值；

一重新整理装置，用于响应该二进制块的所有二进制象素的状态，重新整理该二进制块的所有二进制象素的映象值以产生第一和第二序列；

检测装置，用于检测对应于第一和第二序列的最佳概率集以生成表示哪些概率集被检测的一选择信号，并根据该些最佳概率集对该第一和第二序列进行算术地编码以生成编码的二进制数据；及

多路复用装置，用于多路复用该选择信号和该编码的二进制数据，从而产生被编码的二进制形状信号。

8、根据权利要求7的装置，其中该确定装置包括：

用于通过将该概率与一预定阈值相比较，  将一良好状态或不良状态分配给所述各二进制象素的装置，其中如果该概率大于或等于该预定阈值，所述各二进制象素被确定为良好状态，否则，所述各二进制象素被判定为不良状态；及

用于通过将该概率与预测阈值相比较，提供所述各二进制象素的该预测象素值的装置。

9、根据权利要求7的装置，其中该确定装置包括：

用于通过将该概率与一高等级和一低等级相比较，将一良好状态或不良状态分配给所述各二进制象素的装置，其中如果该概率大于或等于该高等级，或小于该低等级，所述各二进制象素被确定为良好状态，否则，所述各二进制象素被判定为不良状态；及

用于通过将该概率与预测阈值相比较，提供所述各二进制象素的该预测象素值的装置。

10、根据权利要求8或9的装置，其中如果该预测象素值等于该原始象素值，该映象值具有一二进制值0，否则，该映象值具有一二进制值1。

11、根据权利要求10的装置，其中该编码装置包括：

用于计数第一和第二序列中的映象值0的数目，从而提供该计数的装置；

用于通过使用该计数，检测分别对应于第一和第二序列的最佳概率集并提供一表示哪个概率集被检测的选择信号的装置；

用于编码该选择信号，从而生成一编码的选择信号的装置，及

用于通过使用该些最佳概率集，对第一和第二序列进行算术编码，从而输出该被编码的二进制形状信号的装置。

12、根据权利要求11的装置，其中随着该计数增大，一更大的概率被分配给具有映象值0的二进制象素且一更小的概率对应于具具有映象值1的二进制象素。

13、一种用于对一被编码的二进制形状信号进行解码，从而提供一被解码的二进制形状信号的装置，包括：

多路分解装置，用于将该编码的二进制形状信号多路分解成一编码的选择信号和编码的二进制数据；

解码装置，用于解码该编码的选择信号，以生成表示哪些概率集被检测的以解码的选择信号，并根据这些概率集对该编码的二进制数据进行解码，从而提供一被解码的包含有第一和第二序列的二进制形状数据，其中该第一和该第二序列具有这些二进制象素的重构的映像值；

一上下文编号计算装置，用于根据一相应上下文计算各二进制象素的上下文编号，并检测对应于该上下文编号的一概率，其中该上下文是从在各该二进制象素之前被重构的二进制象素中被确定；

一状态确定装置，用于通过将该概率与预定的阈值进行比较来确定各二进制象素的状态和预测的象素值；

一选择装置，用于响应于各二进制状态，从该第一或第二序列中为各进制象素取这些重构的映象值之一；及

一提供装置，用于通过将该所取的重构的映象值与该预测的象素值进行比较来重构各二进制象素的一二进制象素值，并序列地提供对应于该被解码的二进制形状数据的重构的二进制象素值作为该被解码的二进制形状信号。

14、根据权利要求13的装置，其中该解码装置根据与在已提供被编码的二进制形状信号的编码器中所用的相同的概率集，对该被编码的二进制形状信号进行解码。

15、一种用于对一被编码的二进制形状信号进行解码，从而提供一被解码的二进制形状信号的方法，包括有步骤：

将该编码的二进制形状信号多路分解成一编码的选择信号和编码的二进制数据；

解码该编码的选择信号，以生成表示哪些概率集被检测的一解码的选择信号，并根据这些概率集对该编码的二进制数据进行解码，从而提供一被解码的包含有第一和第二序列的二进制形状数据，其中该第一和该第二序列具有这些二进制象素的重构的映像值；

根据一相应上下文计算各二进制象素的上下文编号，并检测对应于该上下文编号的一概率，其中该上下文是从在各该二进制象素之前被重构的二进制象素中被确定；

通过将该概率与预定的阈值进行比较来确定各二进制象素的状态和预测的象素值；

响应于各二进制状态，从该第一或第二序列中为各二进制象素取这些重构的映象值之一；及

通过将该所取的重构的映象值与该预测的象素值进行比较来重构各二进制象素的一二进制象素值，并序列地提供对应于该被解码的二进制形状数据的重构的二进制象素值作为该被解码的二进制形状信号。

16、根据权利要求15的方法，其中根据与已经生成该编码的二进制形状信号所用的相同的概率集，对该被编码的二进制形状信号进行解码。

17、根据权利要求16的方法，其中如果所述各二进制象素的状态对应于第一序列，从该第一序列选择所取的重构的映象值，否则，从第二序列检测所取的重构的映象值。

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