CN1905675A - 一种基于共享存储可编程的熵解码和反量化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于共享存储可编程的熵解码和反量化的方法，属于视频解码技术领域，该方法包括：对接收到的比特流进行第一类熵解码，得到按正扫描顺序的(run，level)；或进行第二类熵解码，得到按逆扫描顺序的(run，level)，再将其在共享存储器中按先进后出的原则读写，得到按正扫描顺序的(run，level)；进行游程解码，得到扫描后的量化系数V和索引index；再进行反扫描处理，获取w_load以外的反量化参数；如果是第一类码流还要读取共享存储器，得到用户定义的量化权重(w_load)；进行反量化处理，得到变换系数并写入变换系数存储器。本发明可适用于采用多种编码标准编码的解码，可以节省存储空间。
Description
技术领域
本发明属于视频解码技术领域，特别涉及一种基于共享存储可编程的熵解码和反量化的方法。
背景技术
在大多数的视频压缩标准中，如MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，H.261，H.263，264/AVC，以及中国制定的高级音视频标准AVS，都采用了预测编码、变换编码和熵编码的混合编码方法，获得了很好的图像压缩效果。视频编解码的过程如图1所示，图中，上边的实线表示编码过程，下边的虚线表示解码过程。在编码过程中，对预测后的残差系数进行变换、量化、扫描和熵编码后，得到编码的码流。在解码时，首先编码码流进行熵解码，得到扫描后量化系数，再经过反扫描、反量化和反变换，得到解码后的残差系数，然后经过运动补偿得到解码的重建图像。
在解码过程中，熵解码是很重要的一部分，尤其在实时高速解码应用系统中，因为编码的变长码字串行连接在一起，没有可以区分的边界，于是只有在前一个码字解码后，才能开始下一个码字的解码。因此有很多研究熵解码的文献，其中可编程熵解码应用广泛，这是由于在目前多种视频标准并存的情况下，可编程的方法可以节省成本。
已有的可编程熵解码方法的可编程性主要体现在查找表可以定制(根据不同的标准制定不同的查找表)，这些方法主要支持H.261，MPEG-1，MPEG-2，H.263以及MPEG-4-2等。H.261，MPEG-1，MPEG-2的熵编码都采用二维变长编码(2D-VLC)技术，即对扫描后的残差系数先进行游程编码，形成非零系数之前连续零的个数run和其后非零系数的值level的组合对(run，level)，再对(run，level)组合对进行Huffman编码。对于出现概率很小的(run，level)组合，采用定长码，即逃逸(Escape)码加上固定比特长度的run和固定比特长度的level。在每个块(象素为8×8)的系数结尾添加块结束标志码字(EOB)，标示最后一个非零系数。由于在低码率的情况下2D-VLC编码的效率因为EOB的比例过高而有所下降。因此，H.263和MPEG-4标准中采用了从2D-VLC扩展而来的三维变长编码(3D-VLC)，其基本方法是在原来二维表示符之上再加一维表示此非零系数是否为最后一个非零系数的标志(end)，变成三维表示符(run，level，end)，而不再用EOB标志符。
上述熵编码方法一般称为传统熵编码。为了进一步提高压缩效率，先进音视频标准AVS采用了基于上下文的自适应二维变长编码(Content Adaptive 2D-VLC，简称CA-2D-VLC)。CA-2D-VLC是多阶指数Golomb(Exp-Golomb)码和基于上下文的2D-VLC的结合。对量化系数逆扫描后，对(run，level)的组合在不同情况下采用用不同的码表，并相应采用不同阶的Exp-Golomb码进行编码。一共有19个2D-VLC码表，即VLC0_Intra~VLC6_Intra，VLC0_Inter~VLC6_Inter and VLC0_Chroma~VLC4_Chroma。码表的选择由上个编码的level的绝对值(absLevel)决定。
虽然AVS的CA-2D-VLC和传统熵编码都采用了2D-VLC，但是不同之处在于：CA-2D-VLC采用了多阶Exp-Golomb码，而传统熵编码采用了Huffman码；CA-2D-VLC基于上下文信息，用多个码表编码一个块(象素为8×8)的系数，而传统熵编码有1～2个变长码表，某个类型的块采用一个码表；CA-2D-VLC对(run，level)按逆扫描的顺序编码，而传统熵编码对(run，level)按正扫描的顺序编码。由于CA-2D-VLC和传统熵编码有上述不同之处，所以已有的可编程熵解码的方法并不能直接用于CA-2D-VLC的解码。
由于迄今为止CA-2D-VLC算法发展的时间很短，所以已提出的解码实现方法很少。文献1(AVS参考软件)是较早公开的CA-2D-VLC的解码方法，该方法是纯软件解码，没有对解码查找表进行优化，需要较大的存储空间。文献2(Yanme Qu and Yun He，“A Simpleand Memory Efficient VLSI Architecture of CA-2D-VLC decoder for AVS”，PictureCoding Symposium 2006，2006)公开了一种可编程的CA-2D-VLC解码方法。由于CA-2D-VLC有很多码表和码字，所以解码的瓶颈在于解码查找表的有效组织，文献2中方法的主要特点是有效地组织解码查找表，以减少解码需要的存储空间。在该方法中，主要有两类查找表：一类为存储(run，absLevel)的查找表，另一类为存储RefAbsLevel的查找表，其中absLevel表示level的绝对值，RefAbsLevel表示absLevel的参考值，该方法的解码步骤包括：
1)选择初始码表；
2)Exp-Golomb码的解码，得到Exp-Golomb解码的结果(CodeNum)；
3)如果是一个块的第一个解码码字，则执行步骤4；否则判断是否是块结束符(EOB)，如果是，执行步骤8，否则执行步骤4；
4)Escape检测，如果不是Escape，执行步骤5；否则执行步骤6；
5)通过有关(run，level)的查找表得到(run，absLevel)，该查找表中一组(run，absLevel)的存储需要10比特(bit)，如表1所示；然后根据CodeNum和absLevel得到level，然后执行步骤6；
表1 有关(run，level)的查找表的组织结构
| run的数据宽度 | absLevel的数据宽度 |
| 5-bit | 5-bit |
6)Exp-Golomb码的解码，得到CodeNum’，并查相应的表得到MaxRun和RefAbsLevel，利用MaxRun、RefAbsLevel、CodeNum和CodeNum’得到run和level。
7)更新码表选择，执行步骤2，开始解码下一个码字；
8)一个块的所有系数解码结束。
文献2的方法在一定程度上减少了解码需要的存储空间，但是有关(run，level)的查找表还是需要较大的存储空间。
此外，AVS的反量化也与传统的反量化的算法不同，其中一个重要的不同点是：在MPEG-2等采用传统熵编码的标准中，其反量化的帧间量化矩阵和帧内量化矩阵可以采用默认值，也可以是编入码流的用户定义的矩阵(包括用户定义的帧内量化矩阵(8×8)和用户定义的帧间量化矩阵(8×8))，所以需要用于存储用户定义矩阵的存储器；而AVS的反量化参数中没有用户定义的量化矩阵，不需要存储器。而且从上述AVS熵解码和传统熵解码的不同之处可以看出，AVS需要先进后出读写原则的存储器以获取正扫描顺序的(run，level)。
现有的可编程的熵解码、反扫描和反量化的解码方法通常单独进行熵解码、反扫描和反量化处理。进行熵解码时，AVS熵解码需要存储(run，level)的存储器以获取正扫描顺序的(run，level)；反量化时，MPEG-2等采用传统熵编码的标准需要存储用户定义量化矩阵的存储器以获取用户定义的量化权重(w_load)。这样将需要两组存储器，也就需要较大的存储器空间。
综上所述，已有的方法由于单独进行熵解码、反扫描和反量化，所以需要较大的存储空间，而且已有CA-2D-VLC的解码方法由于(run，level)查找表中一组(run，level)的存储需要10比特，所以也需要较大的存储空间。
发明内容
本发明的目的是克服上述已有解码方法的不足，提供一种基于存储共享可编程的熵解码和反量化的方法，可适用于采用多种编码标准编码的解码，且可以节省存储空间。
本发明所述的可编程的合并处理熵解码和反量化的方法，该方法包括：
定义：第一类码流：按照正扫描的顺序编码的码流；
第一类熵解码：对第一类码流进行熵解码；
第二类码流：按照逆扫描的顺序编码的码流，并且反量化不需要存储用户定义量化矩阵Wload；
第二类熵解码：对第二类码流进行熵解码；
共享存储器：用于存储第一类码流解码中的反量化的用户定义量化矩阵Wload和第二类码流解码中的(run，level)，其中Wload中的元素为用户定义的量化权重w_load；
该方法具体包括如下步骤：
1)对接收到的比特流进行熵解码；
11)如果是第一类码流，进行第一类熵解码，得到按正扫描顺序的(run，level)；
12)如果是第二类码流，首先进行第二类熵解码，得到按逆扫描顺序的(run，level)，将得到的(run，level)在共享存储器中按先进后出的原则读写，得到按正扫描顺序的(run，level)；
2)对(run，level)进行游程解码，得到扫描后的量化系数V和索引index；
3)根据索引index和扫描方式进行反扫描处理，产生用于存储变换系数的地址addr和获取用户定义的量化权重(w_load)的地址addr；
4)获取w_load以外的反量化参数；如果是第一类码流还要根据反扫描所得的addr读取共享存储器，得到用户定义的量化权重(w_load)；
5)根据上述反量化参数对量化系数V进行反量化处理，得到变换系数；
6)将变换系数根据上述地址写入变换系数存储器。
本发明综合考虑熵解码和反量化，用共享存储器存储用户定制量化矩阵和第二类熵解码的结果，大大节省了存储空间；本发明可适用于采用多种编码标准编码的解码。
附图说明
图1是视频编解码过程的示意图；
图2是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明提出的可编程的合并处理熵解码和反量化的方法，如图2所示，包括：
定义：第一类码流：按照正扫描的顺序编码的码流(比如MPEG-1，MPEG-2等)；
第一类熵解码：对第一类码流进行熵解码；
第二类码流：按照逆扫描的顺序编码的码流(比如AVS等)，并且反量化不需要存储用户定义量化矩阵Wload；
第二类熵解码：对第二类码流进行熵解码；
共享存储器：用于存储第一类码流解码中的反量化的用户定义量化矩阵Wload和第二类码流解码中的(run，level)，其中Wload中的元素为用户定义的量化权重w_load；
具体包括如下步骤：
2)对接收到的比特流进行熵解码；
11)如果是第一类码流，进行第一类熵解码，得到按正扫描顺序的(run，level)；
12)如果是第二类码流，首先进行第二类熵解码，得到按逆扫描顺序的(run，level)；将得到的(run，level)在共享存储器中按先进后出的原则读写，得到按正扫描顺序的(run，level)；
2)对(run，level)进行游程解码，得到扫描后的量化系数V和索引index；
3)根据索引index和扫描方式进行反扫描处理，产生用于存储变换系数的地址addr和获取用户定义的量化权重(w_load)的地址addr；
4)获取w_load以外的反量化参数(如果是第一类码流还需要根据反扫描所得的addr读取共享存储器，得到用户定义的量化权重(w_load)；
5)根据上述反量化参数对量化系数V进行反量化处理，得到变换系数；
6)将变换系数根据上述地址写入变换系数存储器。
本发明的方法用于在MPEG-2和AVS解码中的实施例详细说明如下：
本实施例中以MPEG-2码流为第一类码流，以AVS码流为第二类码流，那么第一类熵解码为MPEG-2熵解码，第二类熵解码为AVS熵解码；
用共享存储器来存储MPEG-2反量化的用户定义量化矩阵Wload和AVS解码中的(run，level)，其中Wload中的元素为用户定义的量化权重w_load；
在本实施例中，共享存储器存储的数据宽度是18比特，这是由于AVS解码的run为6比特、level为12比特，而且MPEG-2解码的w_load为8比特；采用两个共享存储器进行“乒乓”操作，以提高解码速度；每个共享存储器有64个入口，AVS的8×8块编码最多得到64组(run，level)，而且MPEG-2的用户定义的量化矩阵Wload包括用户定义的帧内量化矩阵(8×8)和用户定义的帧间量化矩阵(8×8)，其中每个用户定义量化矩阵的元素64；
所述的“乒乓”操作是指，在对一个共享存储器进行写操作的同时可以对另一个共享存储器进行读操作，这样可以减少AVS熵解码得到逆扫描顺序的(run，level)并写入共享存储器和读取共享存储器得到正扫描顺序的(run，level)的等待时间。
本实施例具体包括如下步骤：
1)接收到的比特流进行熵解码；
11)如果是MPEG-2码流，进行MPEG-2熵解码，得到按正扫描顺序的(run，level)；
12)如果是AVS码流，首先进行AVS CA-2D-VLC解码，得到按逆扫描顺序的(run，level)；将得到的(run，level)在共享存储器中按先进后出的原则读写，得到按正扫描顺序的(run，level)；
2)对(run，level)进行游程解码，得到扫描后的量化系数V和索引index；
3)根据索引index和扫描方式进行反扫描处理，产生用于存储变换系数的地址addr和获取用户定义的量化权重(w_load)的地址addr；
4)如果是MPEG-2码流，获取MPEG-2反量化参数，其中从用户定义的量化矩阵获取的反量化参数(用户定义的量化权重w_load)是根据反扫描所得的addr读取共享存储器得到；如果是AVS码流，获取AVS反量化参数(AVS反量化没有用户定义的量化权重w_load)；
5)根据上述反量化参数对量化系数V进行反量化处理，得到变换系数；
6)将变换系数根据上述地址写入变换系数存储器。
上述步骤11)MPEG-2熵解码、步骤2)游程解码、步骤3)反扫描、步骤4)中的获取MPEG-2的w_load以外的反量化参数和获取AVS反量化参数、步骤5)反量化处理，以及步骤6)将变换系数写入变换系数存储器的方法和已有方法相同，这里不再赘述。
上述的AVS CA-2D_VLC解码中得到按逆扫描顺序的(run，level)的具体方法，的具体方法步骤基本与已有方法步骤相同；其不同之处为步骤5)中的通过有关(run，level)的查找表得到(run，absLevel)：具体包括以下步骤；
1)选择初始码表；
2)Exp-Golomb码的解码，得到Exp-Golomb解码的结果(CodeNum)；
3)如果是一个块的第一个解码码字，则执行步骤4；否则判断是否是块结束符(EOB)，如果是，执行步骤8，否则执行步骤4；
4)Escape检测，如果不是Escape，执行步骤5；否则执行步骤6；
5)通过有关(run，level)的查找表得到(run，absLevel)，本发明的有关(run，level)的查找表组织结构如表2所示，其中每组(run，absLevel)的存储需要8比特；
表2 有关(run，level)的查找表的组织结构
| 表标号tblnum | run和absLevel的数据宽度 | |
| 第-种情况 | 0，1 | (5-bit，3-bit) |
| 第二种情况 | 2，3 | (4-bit，4-bit) |
| 第三种情况 | 4，5，6 | (3-bit，5-bit) |
表2中，tblnum表示CA-2D-VLC查找表的表标号，具体的说，tblnum为0和1表示以下6个码表：VLC0_Intra、VLC1_Intra、VLC0_Inter、VLC1_Inter、VLC0_Chroma和VLC1_Chroma；tblnum为2和3表示以下6个码表：VLC2_Intra、VLC3_Intra、VLC2_Inter、VLC3_Inter、VLC2_Chroma和VLC3_Chroma；tblnum为4、5和6表示以下7个码表：VLC4_Intra、VLC5_Intra、VLC6_Intra、VLC4_Inter、VLC5_Inter、VLC6_Inter和VLC4_Chroma。
本实施例根据查找表2的组织结构分为三种情况得到(run，absLevel)：
第一种：如果当前解码采用的码表为VLC0_Intra或VLC1_Intra或VLC0_Inter或VLC1_Inter或VLC0_Chroma或VLC1_Chroma，那么为第一种情况，此时run为5-bit，absLevel为3-bit：
第二种：如果当前解码采用的码表表为VLC2_Intra或VLC3_Intra或VLC2_Inter或VLC3_Inter或VLC2_Chroma或VLC3_Chroma，那么为第二种情况，此时run为4-bit，absLevel为4-bit；
第三种：如果当前解码采用的码表为VLC4_Intra或VLC5_Intra或VLC6_Intra或VLC4_Inter或VLC5_Inter或VLC6_Inter或VLC4_Chroma，那么为第二种情况，此时run为3-bit，absLevel为5-bit；
然后根据CodeNum和absLevel得到level，再执行步骤6；
6)Exp-Golomb码的解码，得到CodeNum’，并查相应的表得到MaxRun和RefAbsLevel，利用MaxRun、RefAbsLevel、CodeNum和CodeNum’得到run和level；
7)更新码表选择，执行步骤2，开始解码下一个码字；
8)一个块的所有系数解码结束。
根据本发明上述方法可以节省存储资源，可以用于软件解码，也可集成在视频解码VLSI(Very Large Scale Integrated Circuits，超大规模集成电路)芯片之中，尤其适合应用于VLSI电路的设计。
本发明方法并不局限于上述的具体实施例，本领域的技术人员在本发明公开的技术方案内采取等同或相似的变化或替换，都应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1、一种可编程的合并处理熵解码和反量化的方法，其特征在于，该方法包括：定义：第一类码流：按照正扫描的顺序编码的码流；
第一类熵解码：对第一类码流进行熵解码；
第二类码流：按照逆扫描的顺序编码的码流，并且反量化不需要存储用户定义量化矩阵Wload；
第二类熵解码：对第二类码流进行熵解码；
共享存储器：用于存储第一类码流解码中的反量化的用户定义量化矩阵Wload和第二类码流解码中的(run，level)，其中Wload中的元素为用户定义的量化权重w_load；
该方法具体包括如下步骤：
1)对接收到的比特流进行熵解码；
11)如果是第一类码流，进行第一类熵解码，得到按正扫描顺序的(run，level)；
12)如果是第二类码流，首先进行第二类熵解码，得到按逆扫描顺序的(run，level)；将得到的(run，level)在共享存储器中按先进后出的原则读写，得到按正扫描顺序的(run，level)；
2)对(run，level)进行游程解码，得到扫描后的量化系数V和索引index；
3)根据索引index和扫描方式进行反扫描处理，产生用于存储变换系数的地址addr和获取用户定义的量化权重(w_load)的地址addr；
4)获取w_load以外的反量化参数；如果是第一类码流还要根据反扫描所得的addr读取共享存储器，得到用户定义的量化权重(w_load)；
5)根据上述反量化参数对量化系数V进行反量化处理，得到变换系数；
6)将变换系数根据上述地址写入变换系数存储器。
2、如权利要求1所述的可编程的合并处理熵解码和反量化的方法，其特征在于，所述的共享存储器存储的数据宽度是18比特。
3、如权利要求1所述的可编程的合并处理熵解码和反量化的方法，其特征在于，所述的共享存储器包括进行“乒乓操作”的两个共享存储器。
4、如权利要求1所述的可编程的合并处理熵解码和反量化的方法，其特征在于，所述的两个共享存储器，其中每个存储器可有64个入口。
5、如权利要求1所述的可编程的合并处理熵解码和反量化的方法，其特征在于，所述进行第二类熵解码，得到按逆扫描顺序的(run，level)的具体方法，具体包括以下步骤；
1)选择初始码表；
2)Exp-Golomb码的解码，得到Exp-Golomb解码的结果(CodeNum)；
3)如果是一个块的第一个解码码字，则执行步骤4；否则判断是否是块结束符(EOB)，如果是，执行步骤8，否则执行步骤4；
4)Escape检测，如果不是Escape，执行步骤5；否则执行步骤6；
5)通过有关(run，level)的查找表得到(run，absLevel)，本发明的有关(run，level)的查找表组织结构如表所示，其中每组(run，absLevel)的存储需要8比特；
表有关(run，level)的查找表的组织结构
表中，tblnum表示CA-2D-VLC查找表的表标号，具体的说，tblnum为0和1表示以下6个码表：VLC0_Intra、VLC1_Intra、VLC0_Inter、VLC1_Inter、VLC0_Chroma和VLC1_Chroma；tblnum为2和3表示以下6个码表：VLC2_Intra、VLC3_Intra、VLC2_Inter、VLC3_Inter、VLC2_Chroma和VLC3_Chroma；tblnum为4、5和6表示以下7个码表：VLC4_Intra、VLC5_Intra、VLC6_Intra、VLC4_Inter、VLC5_Inter、VLC6_Inter和VLC4_Chroma；
根据所述该查找表的组织结构分为三种情况得到(run，absLevel)：
第一种：如果当前解码采用的码表为VLC0_Intra或VLC1_Intra或VLC0_Inter或VLC1_Inter或VLC0_Chroma或VLC1_Chroma，那么为第一种情况，此时run为5-bit，absLevel为3-bit；
第二种：如果当前解码采用的码表表为VLC2_Intra或VLC3_Intra或VLC2_Inter或VLC3_Inter或VLC2_Chroma或VLC3_Chroma，那么为第二种情况，此时run为4-bit，absLevel为4-bit；
第三种：如果当前解码采用的码表为VLC4_Intra或VLC5_Intra或VLC6_Intra或VLC4_Inter或VLC5_Inter或VLC6_Inter或VLC4_Chroma，那么为第二种情况，此时run为3-bit，absLevel为5-bit；
然后根据CodeNum和absLevel得到level，再执行步骤6；
6)Exp-Golomb码的解码，得到CodeNum’，并查相应的表得到MaxRun和RefAbsLevel，利用MaxRun、RefAbsLevel、CodeNum和CodeNum’得到run和level；
7)更新码表选择，执行步骤2，开始解码下一个码字；
8)一个块的所有系数解码结束。
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