KR20050037307A

KR20050037307A - Ｎ-트리 검색에 기초한 허프만 디코딩 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20050037307A
Application number: KR1020030072794A
Authority: KR
Inventors: 정종훈
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-10-18
Filing date: 2003-10-18
Publication date: 2005-04-21

Abstract

본 발명은 N 트리 검색 테이블을 이용한 부호화된 비트 스트림의 디코딩 방법에 관한 것으로서, 수신된 부호화된 비트 스트림 중 소정 수의 비트를 판독하고, 판독된 비트의 값과 기준 노드의 위치에 기초하여 다음 액세싱할 노드의 위치를 결정하도록 하여, 검색 단계를 단축하고, 허프만 검색 테이블의 저장 공간을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

Description

Ｎ-트리 검색에 기초한 허프만 디코딩 방법 및 장치{Huffman decoding method based on N-tree searching and apparatus thereof}

본 발명은 허프만 디코딩 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 N-트리 검색 기법을 적용하여 검색 속도를 향상시키고, 테이블 재정렬에 의해 검색 테이블을 저장하기 위해 소요되는 저장 공간을 최소화하기 위한 허프만 디코딩 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

허프만 디코딩 기법은 비손실 압축 기법 중의 하나로써, 데이터들의 발생 빈도를 고려하여 서로 다른 길이의 부호를 할당함으로써, 데이터 압축을 수행하는 방법이다. 이러한, 허프만 디코딩 기법은 동영상, 정지영상, 및 오디오 데이터의 압축 등에 널리 사용되고 있다.

허프만 코드가 가지는 고유한 특징으로 인해 종래 이진 트리를 이용한 허프만 디코딩 기법은 최대 및 평균 검색 시간 및 검색 시간의 편차 측면에서 매우 효율적인 방법으로 간주되어 왔다. 하지만, 기존의 이진 트리 기반의 검색 방법에 따르면, 검색을 위하여 필요로하는 자료 구조를 생성하기 위해서는 연결 리스트 기반의 이진 트리를 구성하는 복잡한 과정을 수행하여야만 하고, 또한 이진 트리 검색에서 노드 간의 이동을 위하여 수행하는 비교 및 분기 구분은 프로세서의 동작 중 파이프 라인의 흐름을 방해하여 허프만 디코더의 처리 속도를 감소시키는 주요 원인이 되어 왔다.

이하, 종래의 허프만 디코딩 장치의 구성 및 동작과, 그 장치에서 수행되는 종래의 허프만 디코딩 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 설명한다.

도 1은 종래의 허프만 디코딩 장치의 개략적인 블럭도로서, 입력 버퍼(110), 서치 엔진(120), 허프만 검색 테이블(130), 및 출력 버퍼(140)로 구성된다.

도 2는 이진 트리에 기반한 허프만 검색 테이블을 도시한다.

도 2에서, "코드워드(codeword)" 항은 데이터의 발생 빈도에 따라 자주 나타나는 데이터의 경우, 짧은 길이의 부호를, 발생 빈도가 비교적 적은 데이터의 경우 비교적 긴 부호를 할당 함으로써, 전체적인 데이터의 양을 줄이기 위한 것이다. 또한, "길이(length)" 항은 "코드워드"의 길이 정보를 나타내는 것으로서 원래 신호를 복원하기 위하여 처리해야 하는 데이터의 양을 나타낸다. 또한, "데이터"는 압축되기 이전의 값으로서, 허프만 디코더에서 복원하고자 하는 값을 나타낸다.

즉, 도 1에 따른 허프만 디코딩 장치는 도 2에 도시된 허프만 디코딩 테이블을 참조하여, 압축된 데이터들로부터 "길이" 크기의 "코드워드"와 일치하는 비트열을 검색하여 원래의 "데이터" 값을 복원한다.

도 3은 도 2에 도시된 허프만 검색 테이블을 이진 트리로서 구성하여 나타낸 것이다. 종래의 이진 트리 검색 방법에서는, 도 3에 도시된 이진 트리를 참조하여, 입력된 비트열로부터 한 비트씩 값을 읽어들여, 그 값이 '0'인지 또는 '1'인지에 따라 각 노드들을 횡단하면서, 최종적인 '데이터'값을 발견할 때까지 노드의 이동을 반복적으로 수행한다.

도 4는 도 1에 도시된 장치에서 수행되는 기존의 허프만 디코더의 디코딩 수행 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.

아래에서는, 도 3을 참조하여, 도 4에 도시된 플로우차트에 기초하여 종래 기술에 따른 이진 트리 구조의 허프만 테이블을 이용한 허프만 디코더의 디코딩 수행 방법을 설명한다.

단계 410은 디코딩의 시작 단계로서, 허프만 디코더로 입력되는 부호화된 비트 스트림의 부호어에 기초하여 도 3에 도시된 허프만 트리의 근 노드(310)에 해당하는 엔트리에 액세싱하는 단계이다.

단계 420은 비교 및 분기 구문으로서, 단계 410에서 액세싱된 엔트리에 해당하는 노드가 중간 노드인지 또는 단말 노드인지를 판단하는 단계이다.

단계 430에서는, 단계 420에서 액세싱된 엔트리에 해당하는 노드가 단말 노드로 판단된 경우, 단말 노드에 저장된 값을 디코딩된 코드워드값으로 출력한다.

단계 440에서는, 단계 420에서 액세싱된 허프만 트리의 노드가 중간 노드인 것으로 판단된 경우, 비트스트림으로부터 입력된 1 비트의 값이 '0'인 경우에는, 단계 450으로 진행하며, '1'인 경우에는 단계460으로 진행한다.

단계 450에서는 현재 노드에 저장된 어드레스에 해당하는 엔트리로 액세싱하고, 단계 420으로 진행한다.

단계 460에서는 현재 노드에 저장된 어드레스로 액세싱하고, 단계 420으로 진행한다.

아래에서는, 상기 설명된 종래 허프만 디코딩 방법에 따라 부호화된 입력 비트 스트림 '1110'을 복호화하는 과정을 도 2와 도 3을 참조하여 설명한다.

단계 410에서 디코딩의 시작 단계로서 허프만 이진 트리의 루트 주소에 해당하는 엔트리로 액세싱한다.

단계 420에서, 액세싱된 엔트리의 노드가 중간 노드인지 또는 단말 노드인지를 판단한다. 액세싱된 엔트리가 이진 트리의 루트 노드에 해당하므로, 단계 440으로 진행한다.

단계 440에서는, 입력 비트열의 첫 번째 비트 '1110'가 1이므로, 우측 자식 노드(322)에 해당하는 엔트리로 액세싱하고, 단계 420으로 진행한다.

단계 420에서는 노드(322)가 중간 노드이므로 단계 440으로 진행하고, 단계 440에서는 입력 비트열의 두 번째 비트 '1110'가 1이므로, 우측 자식 노드(332)에 해당하는 엔트리로 액세싱하고, 단계 420으로 진행한다.

단계 420에서는 노드(332)가 중간 노드이므로 단계 440으로 진행하고, 단계 440에서는 입력 비트열의 세 번째 비트 '1110'가 1이므로, 우측 자식 노드(346)에 해당하는 엔트리로 액세싱하고, 단계 420으로 진행한다.

단계 420에서는 노드(346)이 중간 노드이므로 단계 440으로 진행하고, 단계 440에서는 입력 비트열의 세 번째 비트 '1110'가 0이므로, 좌측 자식 노드(350)에 해당하는 엔트리로 액세싱하고, 단계 420으로 진행한다.

단계 420에서는 노드(350)가 자식 노드이므로 단말 노드에 해당하는 값 'E'를 디코딩된 코드워드로 하여 출력한다.

이와 같이, 종래의 이진 트리 기반의 허프만 디코딩 방법은 다음 노드가 중간 노드만으로 구성된 노드의 경우, 예를 들어 도 3의 노드(322)의 경우, 불필요한 검색 단계를 필요로 하며, 또한 이진 트리의 경우 노드간의 연결 관계를 나타내기 위한 추가적인 메모리가 필요하게된다는 문제점이 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, N 트리 검색 기법을 적용하여 검색 단계를 단축하고, 또한 허프만 검색 테이블의 저장 공간을 감소시키기 위한 허프만 디코딩 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 따른 N 트리 검색 테이블을 이용한 부호화된 비트 스트림의 디코딩 방법은 상기 부호화된 비트 스트림을 수신하는 단계와, 상기 수신된 부호화된 비트 스트림 중 소정 수의 비트를 판독하는 단계와, 상기 판독된 비트의 값과 기준 노드의 위치에 기초하여 다음 액세싱할 노드의 위치를 결정하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 부호화된 비트 스트림을 N 트리 검색에 따라 디코딩하기 위한 디코딩 장치는 상기 부호화된 비트 스트림을 디코딩하기 위한 프로세서와, 상기 프로세서에 결합되고, 상기 디코딩과 관련된 검색 테이블이 저장된 메모리를 포함하며, 상기 검색 테이블은 상기 N 트리의 노드들에 대응되는 엔트리를 구비하며, 다음으로 액세싱하는 엔트리는 상기 부호화된 비트 스트림 중 판독된 비트의 값과, 다음 서브 트리의 기준 노드의 위치에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 개선된 허프만 디코딩 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 5는 본 발명에서 사용되는 N 트리 방식의 허프만 디코딩 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3에서 데이터 "B", "C", "D", 노드 (332)로 이동하기 위해서는, 항상 노드 (322)를 경유하여 이동하여야 한다. 본 발명에 따른 N 트리 방식의 허프만 디코딩 방법에서는 이러한 특징을 이용하여 공통적인 검색 단계를 다음 단계의 검색과 통합함으로써, 불필요한 검색 단계를 단축시킨다.

도 5를 참조하면, 각 노드들은 N진 트리로 구성하여, 여기에서 N은 2ⁿ, 도 2의 노드 (322), (330), 및 (332)를 노드 (522)로 통합하였다. 이에 따라, 도 3의 최대 4 단계의 검색 단계가, 도 5에서는 3 단계로 감소된다. 여기에서, N의 값은 2의 n 승배 값으로서, n의 값은 도 2에 도시된 허프만 디코딩 테이블의 순서상 이전 '길이'와 다음 '길이'의 차이값이다.

도 6은 본 발명에 따른 허프만 디코딩 방법을 구현하기 위한 허프만 검색 테이블의 재구성 과정을 도시한다.

테이블의 구성은 허프만 트리의 "root"로부터 시작하여 서브 트리(sub-tree) 방향으로 검색을 수행한다. 본 실시예에서는 프리 오더(pre-order) 방식, 즉 근 노드(root), 좌측 노드(left node), 우측 노드(right node)의 순으로 검색을 수행한다. 다음 노드로의 이동은 먼저 서브-트리가 위치할 주소 중 하나를 기준으로 읽어들인 N-비트 값과의 연산을 통하여 다음 이동할 노드의 위치를 결정한다.

본 실시예에서는, 서브 트리 중 가장 작은 값을 기준으로, 즉 단계 1: "A", 단계 2: "B", 단계 3: "E"를 기준으로 읽어들일 비트의 수를 결정하여 다음 이동할 노드의 위치를 결정한다. 하지만, 선택적으로 다른 기준에 따라 읽어들일 비트의 수 및 다음 이동할 노드의 위치를 결정하는 것도 가능하다.

아래에서는, 도 6을 참조하여 허프만 테이블의 재구성 과정을 보다 상세하게 설명한다.

도 6에서, 인덱스 번호 1, 3, 4, 5, 7, 8이 부여된 단말 노드들에는 도 2에 도시된 코드워드의 크기에 따라 좌측에서 우측으로 실제 리턴 값 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 및 'F'가 할당된다.

한편, 인덱스 번호 0, 2, 6이 부여된 중간 노드들에는 읽어들일 비트의 수 및 읽어들인 비트의 값에 따라 가변적인 현재 노드와 다음 이동할 노드 간의 상대적인 거리 값이 저장된다.

도 7은 도 6에 도시된 본 발명에 따라 재구성된 허프만 검색 테이블을 이용한 허프만 디코딩 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.

단계 710에서는 본 발명에 따른 일차원 검색 테이블을 이용한 디코딩의 시작 단계로서, 도 6의 검색 테이블의 엔트리에 액세싱한다.

단계 720에서는 단계 710에서 액세싱한 엔트리에 해당하는 현재 노드가 중간 노드인지 단말 노드인지 여부를 판단한다.

단계 730에서는 단계 720에서 현재 노드를 단말 노드로 판단한 경우, 현재 엔트리의 내부 값을 실제 되돌려 줄 리턴 값으로 출력한다.

단계 740에서는 단계 720에서 현재 노드를 중간 노드로 판단한 경우, 소정의 결정된 비트 수 만큼의 비트를 입력 비트열로부터 읽어들인다. 본 실시예에서는, 읽어들여지는 비트의 수는 이전 코드워드의 '길이'와 다음 코드워드의 '길이'의 차이에 의해 결정된다.

또한, 소정의 기준으로 선정된 다음 서브-트리의 한 지점을 기준 노드로하여, 읽어들인 비트 값과 기준 노드의 위치에 기초하여 다음에 이동할 노드의 위치를 결정하고, 결정된 인덱스 값에 해당하는 엔트리로 액세스하여, 단계 720을 수행한다. 본 실시예에서는, 다음 서브 트리 중 가장 좌측 노드를 기준 노드로서 사용한다.

아래에서는, 도 6에 도시된 본 발명에 따른 재구성된 허프만 검색 테이블과 도 7에 도시된 플로우차트를 참조하여, 허프만 디코더로 입력되는 부호화된 비트 스트림 중 '1110'을 디코딩하는 과정을 설명한다.

단계 710에서는 디코딩의 시작 단계로서, 도 6의 검색 테이블의 엔트리에 액세싱한다.

단계 720에서는 단계 710에서 액세싱한 현재 엔트리, 즉 도 6의 검색 테이블의 인덱스 값 0를 갖는 엔트리에 해당하는 노드가 중간 노드인지 단말 노드인지 여부를 판단한다. 본 실시예에서는, 현재 노드가 중간 노드이므로, 단계 740으로 진행한다.

단계 740에서는 입력 비트스트림 '1110'의 첫 번째 1 비트의 값, 즉 N = 1 이므로, 다음 서브 트리 중 가장 좌측 노드의 위치를 기준으로 계산된, 1 + N (=1)에 따라, 인덱스 2로 액세싱하고, 단계 720으로 진행한다.

단계 720에서는 인덱스 값 2를 갖는 엔트리에 해당하는 노드가 중간 노드인지 단말 노드인지 여부를 판단한다. 본 실시예에서는, 현재 노드가 중간 노드이므로, 단계 740으로 진행한다.

단계 740에서는 입력 비트스트림 '1110'의 두 비트, 즉 두 번째 및 세 번째 비트의 값, 즉 N = 1×2 + 1×1=3 이므로, 다음 서브 트리 중 가장 좌측 노드의 위치를 기준으로 계산된, 3 + N (=3)에 따라, 인덱스 6으로 액세싱하고, 단계 720으로 진행한다.

단계 720에서는 인덱스 값 6를 갖는 엔트리에 해당하는 노드가 중간 노드인지 단말 노드인지 여부를 판단한다. 본 실시예에서는, 현재 노드가 중간 노드이므로, 단계 740으로 진행한다.

단계 740에서는 입력 비트스트림 '1110'의 다음 한 비트, 즉 네 번째 비트의 값, 즉 N = 0×1= 0 이므로, 다음 서브 트리 중 가장 좌측 노드의 위치를 기준으로 계산된, 7 + N (=0)에 따라, 인덱스 7로 액세싱하고, 단계 720으로 진행한다.

단계 720에서는 인덱스 값 7을 갖는 엔트리에 해당하는 노드가 중간 노드인지 단말 노드인지 여부를 판단한다. 본 실시예에서는, 현재 노드가 단말 노드이므로, 인덱스 7을 갖는 엔트리의 값 "E"를 리턴 값으로 출력한다.

이와 같이, 기존의 이진 트리에 기초한 허프만 디코딩 방법과 본 발명에 따른 개선된 허프만 디코딩 방법의 수행 과정을 과정을 대비하면, 본 발명에 따른 허프만 디코딩 방법에서는 부호화된 비트스트림으로부터 입력 받은 1 비트 데이터를 직접 검색 테이블의 엔트리 엑세싱, 즉 주소값의 연산에 적용함으로써, 기존의 허프만 디코딩 방법에서 노드 간의 이동을 위하여 존재하던 조건문을 제거할 수 있도록 하여, 보다 향상된 프로세싱 효율을 얻을 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 N 트리 허프만 디코딩 방법을 적용한 경우, 기존의 이진 트리 허프만 디코딩 방법에 비해 허프만 검색 테이블 저장 공간이 감소되는 효과를 나타낸다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 하드디스크, 플로피디스크, 플래쉬 메모리, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 N 트리 허프만 디코딩 방법 및 장치에 따르면, 허프만 트리의 검색 단계의 단축에 따른 검색 속도의 향상 및 가변 길이 부호화(variable length coding: VLC)의 큰 단점 중의 하나인 검색 시간의 변동 문제를 해결하는 것이 가능하며, 노드 간의 이동에 비교 구문 대신 연산 기법을 도입함으로써 프로세서 동작상의 파이프라인-스톨(pipeline-stall) 문제를 해소하는 것이 가능하며, 허프만 검색 테이블의 저장 공간을 절약하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

도 1은 종래의 허프만 디코딩 장치의 개략적인 블록도

도 2는 도 1에 도시된 장치에서 수행되는 허프만 디코딩 테이블을 나타내는 도면

도 3은 허프만 디코딩 방법에 이용되는 이진 트리 구조를 도시하는 도면

도 4는 도1에 도시된 장치에서 수행되는 종래의 허프만 디코딩 방법을 설명하기 위한 플로우차트

도 5는 본 발명에서 사용되는 N 트리 방식의 허프만 디코딩 방법을 설명하기 위한 도면

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 허프만 디코딩 방법을 구현하기 위한 허프만 검색 테이블의 재구성 과정을 도시하는 도면

도 7은 도 6에 도시된 본 발명에 따라 재구성된 허프만 검색 테이블을 이용한 허프만 디코딩 방법을 설명하기 위한 플로우 차트

도 8은 본 발명에 따른 N 트리 허프만 디코딩 방법을 적용한 경우 얻어진 실험 결과를 나타내는 도면

Claims

N 트리 검색 테이블을 이용한 부호화된 비트 스트림의 디코딩 방법에 있어서,

상기 부호화된 비트 스트림을 수신하는 단계와;

상기 수신된 부호화된 비트 스트림 중 소정 수의 비트를 판독하는 단계와,

상기 판독된 비트의 값과 기준 노드의 위치에 기초하여 다음 액세싱할 노드의 위치를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디코딩 방법.
제1항에 있어서, 상기 판독되는 비트의 수는 이전 코드워드의 길이와 다음 코드워드의 길이의 차이 값에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 디코딩 방법.
제1항에 있어서, 상기 기준 노드는 다음 서브 트리의 노드들 중 가장 좌측 노드인 것을 특징으로 하는 디코딩 방법.
제1항에 있어서, 현재 노드가 단말 노드인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며, 현재 노드가 단말 노드라고 판단되는 경우, 현재 노드의 내부 값을 상기 부호화된 비트 스트림의 디코딩된 코드워드로 출력하는 것을 특징으로 하는 디코딩 방법.
제1항에 있어서, 상기 부호화된 비트 스트림은 MPEG(Motion Pictures Experts Group) 규격, JPEG 규격, H.26x 규격 중 어느 하나에 의해 부호화 된 것을 특징으로 하는 디코딩 방법.
부호화된 비트 스트림을 N 트리 검색에 따라 디코딩하기 위한 디코딩 장치에 있어서,

상기 부호화된 비트 스트림을 디코딩하기 위한 프로세서와,

상기 프로세서에 결합되고, 상기 디코딩과 관련된 검색 테이블이 저장된 메모리를 포함하며,

상기 검색 테이블은 상기 N 트리의 노드들에 대응되는 엔트리를 구비하며, 다음으로 액세싱하는 엔트리는 상기 부호화된 비트 스트림 중 판독된 비트의 값과, 다음 서브 트리의 기준 노드의 위치에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 디코딩 장치.
제6항에 있어서, 상기 판독되는 비트의 수는 이전 코드워드의 길이와 다음 코드워드의 길이의 차이 값에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 디코딩 장치.
제6항에 있어서, 상기 기준 노드는 다음 서브 트리의 노드들 중 가장 좌측 노드인 것을 특징으로 하는 디코딩 장치.
제6항에 있어서, 현재 노드가 단말 노드인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며, 현재 노드가 단말 노드라고 판단되는 경우, 현재 노드의 내부 값을 상기 부호화된 비트 스트림의 디코딩된 코드워드로 출력하는 것을 특징으로 하는 디코딩 장치.
제6항에 있어서, 상기 부호화된 비트 스트림은 MPEG 규격, JPEG, 또는 H.26X 규격 중 어느 하나에 의해 부호화 된 것을 특징으로 하는 디코딩 장치.