TWI524681B - 霍夫曼解碼器及其解碼方法 - Google Patents

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Description

霍夫曼解碼器及其解碼方法
本發明係與解碼技術相關，並且尤其與增進霍夫曼解碼程序之效率的技術相關。
霍夫曼編碼(Huffman coding)是一種廣泛應用在多媒體系統中的資料壓縮技術，其概念是根據每一個原始碼在整串待壓縮符號中出現的機率決定其相對應的編碼，出現頻率愈高的原始碼被賦予較短的編碼，出現頻率較低的原始碼被賦予較長的編碼。由霍夫曼樹(Huffman tree)可看出各符號(symbol)及其編碼的對應關係。各個經編碼後的編碼字元(codeword)都會帶有一路徑資料，用以指出這個編碼字元所對應之符號在霍夫曼樹中的位置。接收端系統即根據已知的霍夫曼樹將接收到的資料解碼。
就圖一所示之霍夫曼樹範例來說，最下端以方塊表示的葉節點(leaf node)各自代表一個符號，各符號所對應的編碼則是以根節點(root node)和該葉節點間的路徑表示。於此範例中，符號1的編碼為000，符號0的編碼為001，符號2的編碼為01，依此類推。
在某些情況下，為了簡化霍夫曼樹的架構層級，編碼系統會將複數個出現頻率較低的原始碼定義為稀有碼(rare code)，並令該等稀有碼皆對應於同一個符號(以下以符號0為例)。在先前技術中，每接收到一個編碼字元，解碼系統會根據其路徑資料，由霍夫曼樹的根節點開始，一個位元一個位元往下找，直到找出該路徑資料對應的葉節點為止。若發現該葉節點表示的符號為0，解碼器便須另外對此編碼字元進行稀有碼解碼程序，才能解出其原始碼。相對地，若發現該編碼字元非稀有碼，解碼系統可直接以根據該路徑資料找到的符號做為解碼結果。
先前技術的缺點在於，直到追蹤至葉節點而發現一編碼字元係對應於符號0之前，解碼系統無法判斷此編碼字元是否為稀有碼。在霍夫曼樹的層級較多的情況下，判斷編碼字元是否為稀有碼的過程尤其耗時。
為解決上述問題，本發明提出一種新的霍夫曼解碼器及解碼方法。藉由預先找出稀有碼對應的路徑，根據本發明之解碼器及解碼方法可直接比對編碼字元之路徑資料是否與稀有碼對應的路徑相同，省去根據霍夫曼樹逐位元判斷的過程，進而提升解碼程序的效率。
根據本發明之一具體實施例為一種霍夫曼解碼器，其中包含一儲存模組、一接收模組與一判斷模組。該儲存模組儲存有對應於一稀有碼之一目標路徑。該接收模組係用以接收一編碼字元之一路徑資料。該判斷模組係用以比較該路徑資料與該目標路徑。當該路徑資料與該目標路徑相同，該判斷模組即判定該編碼字元對應於該稀有碼。
根據本發明之另一具體實施例為一種霍夫曼解碼方法。對應於一稀有碼之一目標路徑係預先提供。該方法首先執行一接收步驟，接收一編碼字元之一路徑資料。接著，該方法執行一比較步驟，比較該路徑資料與該目標路徑。當該路徑資料與該目標路徑相同，該編碼字元被判定對應於該稀有碼。
根據本發明之另一具體實施例為一種電腦可讀取儲存媒體，其中儲存有能由一控制器讀取並執行之一霍夫曼解碼程式碼。對應於一稀有碼之一目標路徑係預先提供。該霍夫曼解碼程式碼包含：一第一程式碼，用以接收一編碼字元之一路徑資料；一第二程式碼，用以比較該路徑資料與該目標路徑；以及一第三程式碼，當該路徑資料與該目標路徑相同，第三程式碼即判定該編碼字元對應於該稀有碼。
相較於先前技術，根據本發明之解碼方法及解碼器在判斷編碼字元是否為稀有碼時更為快速、具有較高的運算效率。關於本發明的優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
圖二(A)為一根據本發明之一具體實施例之一種霍夫曼解碼器的方塊圖。該解碼器包含一儲存模組21、一接收模組22、一判斷模組23及一解碼模組24。於實際應用中，該解碼器可被設置於各種採用霍夫曼編碼的電腦或是多媒體系統中，例如做為一包含在數位劇院系統(digital theater system,DTS)中的低位元率(low bit rate,LBR)解碼器。
儲存模組21中儲存有對應於一稀有碼之一目標路徑。以圖一所示之霍夫曼樹為例，假設本實施例中編碼字元僅具有一個稀有碼，而代表稀有碼之符號為0，其所對應的路徑001即為上述目標路徑。由於解碼器能夠在開始接收編碼字元前即掌握霍夫曼樹的內容，且其中的哪一個符號代表稀有碼亦為事先已知，該目標路徑可根據該霍夫曼樹預先被找出。
接收模組22負責接收一原始資料串流中之一編碼字元，並擷取出對應於該編碼字元之一路徑資料；此路徑資料係用以指出這個編碼字元在霍夫曼樹中對應於哪一個符號。在圖一的例子中，若此編碼字元的路徑資料為11，則此編碼字元係對應於符號4。接著，接收模組22係將該路徑資料提供給判斷模組23。
儲存模組21則是會將該目標路徑提供給判斷模組23參考。判斷模組23負責比較該編碼字元的路徑資料與對應於稀有碼的目標路徑。若該路徑資料與該目標路徑相同，判斷模組23即判定該編碼字元對應於該稀有碼。相對地，若該路徑資料不同於目標路徑，判斷模組23即判定該編碼字元並非對應於該稀有碼。若判斷模組23判定該編碼字元對應於該稀有碼，解碼模組24會繼續對該編碼字元進行一稀有碼解碼程序，以解出其原始碼。以圖一所示之霍夫曼樹為例，路徑資料為001的編碼字元會被判斷模組23判定為對應於該稀有碼。
由以上說明可看出，根據本發明之解碼器係藉由直接比對兩個路徑是否相同來判斷編碼字元是否對應於該稀有碼。這樣的做法能省去先前技術中根據霍夫曼樹由上至下逐位元判斷的過程，增快辨識稀有碼的速度。
實務上，若判斷模組23判定該編碼字元非對應於該稀有碼，根據本發明之解碼器有幾種不同的方式可繼續找出對應於該編碼字元的符號。於一實施例中，於判定該編碼字元非對應於該稀有碼後，該解碼器係根據霍夫曼樹由上至下逐位元比對，以找出該路徑資料所指向的符號，該符號即為該編碼字元的解碼結果。於另一實施例中，該解碼器係利用一預先建立的查找表來找出對應於該編碼字元的符號，以下根據圖二(B)所示之方塊圖加以說明。
如圖二(B)所示，根據本發明之解碼器可進一步包含一查找模組25。於此範例中，儲存模組21儲存有預先建立的一個查找表21A，用以儲存複數個路徑以及每一路徑各自對應之一符號，每一路徑係與霍夫曼樹中之一葉節點相關。以圖一所示之霍夫曼樹為例，其查找表21A可被設計為如圖三(A)所示，包含一符號欄位及一路徑欄位。若判斷模組23判定該編碼字元非對應於該稀有碼，查找模組25即根據該路徑資料自查找表21A中找出對應於該編碼字元之該符號。舉例而言，若該路徑資料為11，查找模組25可根據查找表21A找出該編碼字元係對應於符號4。
霍夫曼編碼的基本原理中，稀有碼係具有最長的編碼長度，意即稀有碼的路徑位元數最長。上述實施例中的稀有碼的路徑位元數為3。於另一實施例中，查找表21A被設計為如圖三(B)所示，包含一符號欄位、一路徑欄位及一路徑位元數欄位。需說明的是，在這個實施例中，稀有碼的路徑位元數亦為3。為了提高比較運算的便利性，所有霍夫曼編碼字元對應的路徑皆被統一填補位元而成為新路徑，以一最大路徑位元數3位元(亦即原本各路徑長度中最大者)表示：於符號2、3、4的路徑之最小位元(Least Significant Bit,LSB)後補上複數個0，至其補足後之新路徑之位元數與最大路徑位元數3位元相同。
圖3(B)中最右方的路徑位元數欄位係用以記錄各路徑原本的路徑長度。由這個欄位，亦可看出其中的最大路徑位元數為3。這個最大路徑位元數可被預先記錄在儲存模組21中，供接收模組22參考。舉例而言，接收模組22可根據該最大路徑位元數決定要自一原始資料串流中擷取多少位元的資料作為該路徑資料。需特別注意的是，根據霍夫曼解碼方法之特性，該稀有碼之位元數必定等於該最大路徑位元數。此外，在本實施例中，該查找表21A係依補足後之新路徑由小到大排序。此排序方式有助於查找模組25找出對應於該編碼字元之該符號，詳述如下。
在本實施例中，查找模組25透過比較該路徑資料及新路徑大小找出對應於該編碼字元之該符號。在查找相對應之符號時，查找模組25可由小到大逐一比較該路徑資料及新路徑之大小，直到該路徑資料小於一新路徑，查找模組25即認定該新路徑之前一筆新路徑為一目標新路徑，且該目標新路徑所對應之符號為該編碼字元所對應之該符號。舉例而言，如圖三(B)所示，假設接收模組22係以最大路徑位元數3來擷取該路徑資料，且收到的路徑資料為100。查找模組25逐一比對路徑欄位中的新路徑000、001、010、100、110，直至發現新路徑110大於該路徑資料100，查找模組25即認定前一新路徑100為該目標新路徑，且該目標新路徑所對應之該符號3為該編碼字元所對應之該符號。
再舉例而言，如圖三(B)所示，假設接收模組22係以最大路徑位元數3來擷取該路徑資料，且收到的路徑資料為011。查找模組25逐一比對新路徑000、001、010、100，直至發現新路徑100大於該路徑資料011，查找模組25即認定前一新路徑010為該目標新路徑，且該目標新路徑所對應之該符號2為該編碼字元所對應之該符號。需特別注意的是，在此例中，收到的路徑資料011可能不等於任一新路徑。因該編碼字元所對應之路徑位元數為2，意指事實上於該原始資料串流中，僅前2位元之資料被用於表示該編碼字元之路徑，即01。換言之，除此前2位元之資料外，於該目標新路徑中，其餘較小位元之數值於此並不具有意義，接收模組22所擷取的路徑資料011中亦僅前兩個位元01是對應於該編碼字元，第三個位元1實際上是下一個編碼字元的路徑資料。因此，查找模組25依上述方法，即可有效忽略該目標新路徑於為使該目標新路徑之位元數與最大路徑位元數相同而補上之位元部份(其總位元數量為該最大路徑位元數減去該目標新路徑之該路徑位元數)與該路徑資料之差異，而有效地查找出該編碼字元所對應之該符號。
需特別注意的是，於本實施例中，該目標新路徑所對應之該路徑位元數亦應提供至接收模組22，使得接收模組22可據以擷取下一筆編碼字元所對應之路徑資料。以上述路徑資料為011的情況為例，接收模組22必須考量其中的第三個位元1是下一個編碼字元的路徑資料，才不致於擷取下一個編碼字元的路徑資料時發生誤判。
於另一實施例中，查找表21A被設計為如圖三(C)所示，將各個路徑資料由二進位資料轉換為十進位資料，並同樣地依照由小到大順序排列。這樣的排列方式有助於查找模組25提升比對的效率。如圖三(D)所示，圖三(C)中各個欄位的內容也可以被整合於單一欄位中，亦即在單一欄位中記錄符號、路徑及路徑位元數，其最大路徑位元數可被視為12。
根據本發明之另一具體實施例為一種霍夫曼解碼方法，圖四為該解碼過程的局部流程圖。對應於一稀有碼之一目標路徑係預先提供。該方法首先執行步驟S41，接收一編碼字元之一路徑資料。接著，該方法執行步驟S42，比較該路徑資料與該目標路徑是否相同。若步驟S42的判斷結果為否，該方法即於步驟S43中判定該編碼字元非對應於該稀有碼。相對地，若步驟S42的判斷結果為是，該方法即於步驟S44中判定該編碼字元對應於該稀有碼。
圖五為進一步包含解碼程序的流程圖。步驟S51~S52與圖四的前兩個步驟相同。若步驟S52的判斷結果為否，該方法即執行步驟S53，根據該路徑資料自一預先提供的查找表中找出對應於該編碼字元的符號。相對地，若步驟S52的判斷結果為是，該方法於步驟S54中對該編碼字元進行稀有碼解碼程序。
實務上，圖二(B)中的解碼模組24和查找模組25可以被整合為單一模組。此外，圖四及圖五所繪示的流程都可以在圖二(B)所示之硬體上實現。同樣地，步驟S53中所參考的查找表可為圖三(A)~圖三(D)等各種形式，但不以此為限。
根據本發明之另一實施例為一種電腦可讀取儲存媒體，其中儲存有能由一控制器讀取並執行之一霍夫曼解碼程式碼。舉例而言，該電腦可讀取儲存媒體可一光學儲存媒體、一軟碟片或一硬碟，但不以此為限。對應於一稀有碼之一目標路徑係預先提供。該霍夫曼解碼程式碼包含：一第一程式碼，用以接收一編碼字元之一路徑資料；一第二程式碼，用以比較該路徑資料與該目標路徑；以及一第三程式碼，當該路徑資料與該目標路徑相同，第三程式碼即判定該編碼字元對應於該稀有碼。
如先前所述，根據本發明之解碼器及解碼方法係藉由預先找出稀有碼對應的路徑，並直接比對編碼字元之路徑資料是否與稀有碼對應的路徑相同，省去根據霍夫曼樹逐位元判斷的過程，進而提升解碼程序的效率。相較於先前技術，根據本發明之解碼方法及解碼器在判斷編碼字元是否為稀有碼時更為快速、具有較高的運算效率。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
21．．．儲存模組
21A．．．查找表
22．．．接收模組
23．．．判斷模組
24．．．解碼模組
25．．．查找模組
S41~S44．．．流程步驟
S51~S54．．．流程步驟
圖一為一霍夫曼樹範例。
圖二(A)和圖二(B)為根據本發明之具體實施例中的霍夫曼解碼器方塊圖。
圖三(A)~圖三(D)為根據本發明之查找表範例。
圖四為根據本發明之具體實施例中的霍夫曼解碼方法局部流程圖。
圖五為根據本發明之具體實施例中的霍夫曼解碼方法流程圖。
S41~S44．．．流程步驟

Claims (12)

  1. 一種霍夫曼解碼器，包含：一儲存模組，儲存有複數目標路徑，其中一目標路徑相關於一稀有碼；一接收模組，用以接收一編碼字元之一路徑資料；以及一判斷模組，用以比較該路徑資料與相關於該稀有碼之該目標路徑，當該路徑資料與該目標路徑相同，該判斷模組判定該編碼字元對應於該稀有碼；其中該儲存模組亦儲存有一最大路徑位元數，該接收模組接收之該路徑資料之一路徑位元數係根據該最大路徑位元數而決定。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之霍夫曼解碼器，進一步包含：一解碼模組，當該判斷模組判定該編碼字元對應於該稀有碼，該解碼模組對該編碼字元進行一稀有碼解碼程序。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之霍夫曼解碼器，其中該儲存模組亦儲存有預先建立之一查找表，用以儲存該複數個路徑以及每一路徑各自對應之一符號，該查找表中之每一路徑係與一霍夫曼樹中之一葉節點相關，該霍夫曼解碼器進一步包含： 一查找模組，當該判斷模組判定該編碼字元非對應於該稀有碼，根據該路徑資料自該查找表中找出對應於該編碼字元之該符號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之霍夫曼解碼器，其中於該查找表中，該等路徑中每一路徑及其對應之該符號係儲存於同一欄位。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之霍夫曼解碼器，其中於該查找表中，該等路徑各自被化為一數值並依照一由小到大順序排列。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之霍夫曼解碼器，其中該查找表亦儲存有該等路徑中每一路徑所對應之一路徑位元數，並且該接收模組於接收下一編碼字元對應之一路徑資料時，以對應於該編碼字元之該路徑位元數為一參考依據。
  7. 一種霍夫曼解碼方法，包含：(a)提供相關於一稀有碼之一目標路徑；(b)接收一編碼字元之一路徑資料；(c)比較該路徑資料與該目標路徑；以及(d)當該路徑資料與該目標路徑相同，判定該編碼字元對應於該稀有碼；其中一最大路徑位元數亦預先提供，並且步驟(b)包含：根據該最大路徑位元數決定接收該路徑資料之一路徑位元數。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之霍夫曼解碼方法，進一步包含：(e)當該編碼字元對應於該稀有碼，對該編碼字元進行一稀有碼解碼程序。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之霍夫曼解碼方法，其中一查找表亦預先提供，用以儲存複數個路徑以及每一路徑各自對應之一符號，該查找表中之每一路徑係與一霍夫曼樹中之一葉節點相關，該霍夫曼解碼方法進一步包含：(f)當該編碼字元非對應於該稀有碼，根據該路徑資料自該查找表中找出對應於該編碼字元之該符號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之霍夫曼解碼方法，其中於該查找表中，該等路徑中每一路徑及其對應之該符號係儲存於同一欄位。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之霍夫曼解碼方法，其中於該查找表中，該等路徑各自被化為一數值並依照一由小到大順序排列。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之霍夫曼解碼方法，其中該查找表亦儲存有該等路徑中每一路徑所對應之一路徑位元數，並且步驟(f)包含：於接收下一編碼字元對應之一路徑資料時，以對應 於該編碼字元之該路徑位元數為一參考依據。
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