CN104349165B

CN104349165B - 高性能变长编解码方法及装置

Info

Publication number: CN104349165B
Application number: CN201410469348.5A
Authority: CN
Inventors: 王洪剑; 林江; 田磊磊
Original assignee: SHANGHAI TONGTU SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI TONGTU SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2017-06-16
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: CN104349165A

Abstract

本发明公开了一种高性能变长编解码方法及装置，其在编码端编码装置对像素点残差的映射值进行编码，具体编码方法为：首先采用Huffman编码方法编码像素点残差的映射值的Golomb系数Q，然后采用Golomb编码方法编码像素点残差的映射值的Golomb余数R，在解码端采用解码装置对比特流进行解码，具体解码方法为：在一个时钟周期内首先读取多个像素点的比特流，接着并行解码各像素点的Q和R，最后根据Q和R并行计算出各像素点的残差的映射值，通过本发明，可有效解决现有变长编码方法中编码效率低和解码装置时延长、面积大等的问题。

Description

高性能变长编解码方法及装置

技术领域

本发明关于一种编解码方法及装置，特别是涉及一种视频或图像处理领域的高性能变长编解码方法及装置。

背景技术

图像或视频是一种有效生动的信息表达方式，目前在电视、视频会议和DVD等领域得到了广泛的使用。为了解决图像或视频存储成本高和传输带宽大等缺点，国际上相关组织制定了视频压缩标准如MPEG-x系列和图像压缩标准JPEG系列等。图像或视频压缩标准中的主要编码方法有Huffman编码、Golomb-Rice编码和算术编码，使得编码效率更高。

Huffman编码：Huffman编码是一种无损的熵编码方式，其主要的编码思想是：对出现概率较高的信息分配以较少的码字，出现概率较小的信息分配以较多的码字。其缺点是：当信息种类比较多(如256种)且概率分布均匀时，压缩效率将非常低，而且解码装置需用多级的多路选择器，不仅产生巨大的延迟同时使得解码装置面积增大。

Golomb-Rice编码：Golomb-Rice编码是一种无损的熵编码方式，其主要编码方式是：根据预先设定的K值，首先计算得出系数Q，编码Q个0；接着编码一位标志位M，此时M值必为1；最后用K位编码余数R。其缺点是：当预先设定的K值不准确时，压缩效率将非常低，而且解码装置需用多级的多路选择器，不仅产生巨大的延迟同时使得解码装置面积增大。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种高性能变长编解码方法及装置，其有效地解决了现有变长编码方法中编码效率低和解码装置时延长、面积大等的问题，实现了高性能变长编解码。

为达上述及其它目的，本发明提出一种高性能变长编码方法，包括如下步骤：

步骤一，根据当前行像素值和已编码像素值，计算出预测值；

步骤二，根据该预测值与当前像素值计算出残差值并映射为非负整数；

步骤三，根据已编码像素值的信息计算出Golomb-Rice编码所需的K值；

步骤四，采用Huffman编码方法编码像素点残差的映射值的Golomb系数Q，然后采用Golomb编码方法编码像素点残差的映射值的Golomb余数R，对所有待编码残差映射值进行编码；

步骤五，对编码后产生的变长码字进行打包产生最终比特流。

进一步地，步骤四进一步包括如下步骤：

步骤2.1，根据K值利用残差映射值计算公式计算出待编码的残差映射值的Golomb系数Q和Golomb余数R；

步骤2.2，采用Huffman编码方式编码待编码的残差映射值的Golomb系数Q；

步骤2.3，采用Golomb编码方法并利用二进制编码待编码的残差映射值的Golomb余数R；

步骤2.4，把该Golomb系数Q和该Golomb余数R聚合产生待编码的残差映射值的变长码字；

步骤2.5，循环步骤2.1～34编码所有的待编码的残差映射值。

进一步地，步骤2.1中的残差映射值计算公式为：

dm＝Q×2^k+R

其中，dm为待编码的残差映射值，Q为Golomb系数Q，R为Golomb余数R。

进一步地，步骤2.2中，该Huffman编码方式为根据预先制定的码表编码该Golomb系数Q值。

为达到上述目的，本发明还提供一种高性能变长解码方法，包括如下步骤：

步骤一，对原比特流进行解包操作产生Golomb-TT解码装置所需的最长比特流；

步骤二，根据当前行像素值和已编码像素值计算出预测值；

步骤三，根据已编码像素值的信息计算出Golomb-Rice解码所需的K值；

步骤四，利用该Golomb-TT解码装置并行解码多个像素点的Golomb系数Q和Golomb余数R，并根据K值以及Golomb系数Q和Golomb余数R，利用残差映射值计算公式计算出各像素点的残差映射值；

步骤五，根据预测值与当前残差映射值进行反映射并计算出当前像素值。

进一步地，于步骤四中，采用Huffman解码方式解码Golomb系数Q，从比特流中解码出二进制的Golomb余数R值，并根据K、Q和R值，利用该残差映射值计算公式计算出各像素点的残差映射值。

进一步地，该残差映射值计算公式为：

dm＝Q×2^k+R

其中，dm为待解码的残差映射值，Q为Golomb系数Q，R为Golomb余数R。

为达到上述目的，本发明还提供一种高性能变长解码装置，至少包括：

解包模块，对原比特流进行解包操作产生Golomb-TT解码装置所需的最长比特流；

预测模块，根据当前行像素值和已编码像素值计算出预测值；

K值计算模块，根据该已编码像素值的信息计算出Golomb-Rice解码所需的K值；

Golomb-TT解码装置，于一个时钟周期内至少读取三个像素点的比特流，并行采用Huffman解码方式解码各像素点的Golomb系数Q，从比特流中解码出二进制的各像素点的Golomb余数R，并根据K值、Golomb系数Q和Golomb余数R并行计算出各像素点的残差的映射值；

反映射模块，根据预测值pix_pred与当前残差映射值进行反映射，计算出当前像素值。

进一步地，该Golomb-TT解码装置采用二分法解码Huffman解码方式中的Huffman码表，以减少解码Golomb系数Q中的多路选择器的级数。

进一步地，该Golomb-TT解码装置采用并行方式在一个时钟周期内解码多个像素点分量，并在解码第n个像素点分量的Golomb系数Q时并行加法第n-1个像素点分量所消耗的比特数。

与现有技术相比，本发明一种高性能变长编解码方法及装置通过先采用Huffman编码方法编码像素点残差的映射值的Golomb系数(Quotient，Q)，然后采用Golomb编码方法编码像素点残差的映射值的Golomb余数(Remainder，R)，并在解码端解码时采用二分法减少Huffman解码所需多路选择器的级数，同时采用并行的方式解决时延长的问题，有效地解决了现有变长编码方法中编码效率低和解码装置时延长、面积大等的问题。

附图说明

图1为本发明一种高性能变长编码方法的步骤流程图；

图2为本发明一种高性能变长编码方法的一个应用场景示意图；

图3为本发明一种高性能变长编码方法中步骤104的细部流程图；

图4为本发明一种高性能变长解码方法的步骤流程图；

图5为本发明一种高性能变长解码装置的系统架构图；

图6为本发明中每个时钟解码3个分量的dm值的波形示意图；

图7为采用传统方法解码Golomb-TT解码装置中的Q值时最长路径示意图；

图8为本发明Golomb-TT解码装置中解码Q值时最长路径示意图

图9为本发明所提出的Golomb-TT解码装置的并行解码过程示意图

图10为本发明采用并行方式解决时延问题的示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

在说明本发明之前，先对本发明所涉及的几个名词进行定义说明：

(1)映射：设A、B是两个非空集合，如果存在一个法则F，使得对A中的每个元素a，按法则F，在B中有唯一确定的元素b与之对应，则称F为从A到B的映射；

(2)残差值：预测值与当前值的差值；

(3)多路选择器：在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路；

(4)二分法：一分为二的方法；

图1为本发明一种高性能变长编码方法的步骤流程图，图2为本发明一种高性能变长编码方法的一个应用场景示意图。如图1及图2所示，本发明一种高性能变长编码方法，包括如下步骤：

步骤101，根据当前行像素值和上一行等已编码像素值(f(x-1,x-2,…y-1,y-2…))计算出预测值(pix_pred)。

步骤102，根据pix_pred与当前像素值(pix_cur)计算出残差值并映射为非负整数(diffmap，dm)，例如残差值为-255～255的dm值为0～510。

步骤103，根据上一行等已编码像素值f(x-1,x-2,…y-1,y-2…)信息计算出Golomb-Rice编码所需的K值。

步骤104，采用Huffman编码方法编码像素点残差的映射值dm的Golomb系数(Quotient，Q)，然后采用Golomb编码方法编码像素点残差的映射值dm的Golomb余数(Remainder，R)，对所有待编码dm值进行编码；为叙述方便，步骤104称之为Golomb-TT编码方法。

步骤105，对编码后产生的变长码字(code word，cw)进行打包产生最终比特流(bitstream，bs)。

表1为现有的定长编码方法和传统Golomb-Rice(K＝＝2)编码方法与本发明所提出的Golomb-TT(K＝＝2)编码方法对dm值编码后产生的码字及所需比特数的对比表，其中“x”表示取值可为0或1，{y}表示该码字长度，y可取值所有非负整数。表1中具体含义为：

第一列：四个数为一组的dm值的索引；

第二列：残差值为-255～255时dm值的所有可能取值，其中前127行为4个数一组，最后一行即128行为2个数一组；

第三列：定长编码的码字和码字长度；

第四列：Golomb-Rice编码的码字和码字长度；

第五列：Golomb-TT编码的码字和码字长度；

表1本发明所提出的Golomb-TT编码方法与现有编码方法对比

索引值	dm值	定长编码	Golomb-Rice(K＝2)	Golomb-TT(K＝2)
					1	0～3	00000000xx{9}	1xx{3}	1xx{3}
2	4～7	00000001xx{9}	01xx{4}	010xx{5}
					3	8～11	00000010xx{9}	001xx{5}	011xx{5}
4	12～15	00000011xx{9}	0001xx{6}	0010xx{6}
					5	16～19	00000100xx{9}	00001xx{7}	0011xx{6}
6	20～23	00000101xx{9}	000001xx{8}	00010xx{7}
					7	24～27	00000110xx{9}	0000001xx{9}	00011xx{7}
8	28～31	00000111xx{9}	00000001xx{10}	000000xx{8}
					9	32～35	00001000xx{9}	000000001xx{11}	000001xx{8}
10	36～39	00001001xx{9}	0000000001dm值{19}	000010xx{8}
					11	40～43	00001010xx{9}	0000000001dm值{19}	000011dm值{15}
…	…	…	…	…
					127	504～507	1111110xx{9}	0000000001dm值{19}	000011dm值{15}
128	508～510	1111111xx{9}	0000000001dm值{19}	000011dm值{15}

从表1可以看出，索引值为2时，Golomb-Rice编码所需码字长度为4，Golomb-TT编码所需码字长度为5，而其余情况下，Golomb-TT编码所需码字长度均短于Golomb-Rice。

表2为传统Golomb-Rice(K＝＝3)编码方法与本发明所提出的Golomb-TT(K＝＝3)编码方法对dm值编码后产生的码字及所需比特数对比。

表2本发明所提出的Golomb-TT(K＝3)编码方法与Golomb-Rice(K＝3)编码方法对比

索引值	dm值	Golomb-Rice(K＝3)	Golomb-TT(K＝3)
				1	0～7	1xxx{4}	1xxx{4}
2	8～15	01xxx{5}	010xxx{6}
				3	16～23	001xxx{6}	011xxx{6}
4	24～31	0001xxx{7}	0010xxx{7}
				5	32～39	00001xxx{8}	0011xxx{7}
6	40～47	000001xxx{9}	00010xxx{8}
				7	48～55	0000001xxx{10}	00011xxx{8}
8	56～63	00000001xxx{11}	000000xxx{9}
				9	64～71	000000001xxx{12}	000001xxx{9}
10	72～79	0000000001dm值{19}	000010xxx{9}
				11	80～87	0000000001dm值{19}	000011dm值{15}
…	…	…	…
				63	496～503	0000000001dm值{19}	000011dm值{15}
64	504～510	0000000001dm值{19}	000011dm值{15}

从表2可以看出，索引值为2时，Golomb-Rice编码所需码字长度为5，Golomb-TT编码所需码字长度为6，而其余情况下，Golomb-TT编码所需码字长度均短于Golomb-Rice。

从表1、2结果并推理得出以下结论：

结论1：当K值小于等于3时，本发明所提出的Golomb-TT编码方法有98％的概率优于Golomb-Rice编码方法；

结论2：当K值预测准确时，本发明所提出的Golomb-TT编码效率与Golomb-Rice持平；

结论3：当K值预测不准确时，本发明所提出的Golomb-TT编码效率将大大优于Golomb-Rice；

图3为本发明一种高性能变长编码方法中步骤104的细部流程图。如图3所示，步骤104之Golomb-TT编码方法进一步包括如下步骤：

步骤301，根据K值计算出待编码的dm值的Q和R值，具体计算公式如“eq1”；

dm＝Q×2^k+R (eq 1)

步骤302，采用Huffman编码方式编码Q值，即根据预先制定的码表(表1、2中使用的码表参见表3)编码Q值，说明：该码表可以根据信息的具体分布概率进行调整。

表3编码Q值的一种Huffman码表

Q

码字

0	1
		1	010
2	011
		3	0010
4	0011
		5	00010
6	00011
		7	000000
8	000001
		9	000010
other	000011

步骤303，采用Golomb编码方法并利用二进制编码待编码的dm值的R值。

步骤304，把Q和R聚合产生待编码dm值的变长码字cw。

步骤305，循环步骤301～304编码所有的待编码dm值。

以表2中索引值为3的dm值为例进一步对比说明本发明所提出的Golomb-TT编码方法。从表2可知，dm的取值范围为16～23，根据公式“eq1”可以算出其Q值均为“2”，而R的取值范围为0～7；接着根据表3所示的码表得出Q的对应码字为“011”；然后用二进制表示R值即为“xxx”，其中“x”的取值为“0”或“1”；最后把Q的码字“011”和R的码字“xxx”聚合产生码字cw“011xxx”，说明：cw中Q和R的可以根据具体需求进行不同形式的排序,另外一种常见排序方式为“xxx011”。图4为该实例中采用本发明Golomb-TT编码方式与Golomb-Rice编码方式对表2中索引值为3的dm值进行编码示意图的对比图。

图5为本发明一种高性能变长解码方法的步骤流程图。如图4所示，本发明一种高性能变长解码方法，包括如下步骤：

步骤501，对原比特流(bs)进行解包操作产生Golomb-TT解码装置可能所需的最长比特流，例如本实施例中为bs16。

步骤502，根据当前行像素值和上一行等已编码像素值(f(x-1,x-2,…y-1,y-2…))计算出预测值(pix_pred)。

步骤503，根据上一行等已编码像素值f(x-1,x-2,…y-1,y-2…)的信息计算出Golomb-Rice解码所需的K值。

步骤504，采用Huffman解码方式解码Q值，即根据预先制定的码表解码Q值，从比特流(bs)中解码出二进制的R值，并根据K、Q和R值，利用前述公式“eq1”计算出dm值。

步骤505，根据预测值pix_pred与当前dm值进行反映射并计算出当前像素值pix_cur。

图6为本发明一种高性能变长解码装置的系统架构图，如图6所示，本发明一种高性能变长解码装置，包括：解包模块601、预测模块602、K值计算模块603、Golomb-TT解码装置604以及反映射模块605。

其中，解包模块601对原比特流(bs)进行解包操作产生Golomb-TT解码装置可能所需的最长比特流，例如本实施例中为bs16；预测模块602，根据当前行像素值和上一行等已编码像素值(f(x-1,x-2,…y-1,y-2…))计算出预测值(pix_pred)；K值计算模块603，根据上一行等已编码像素值f(x-1,x-2,…y-1,y-2…)的信息计算出Golomb-Rice解码所需的K值；Golomb-TT解码装置604采用Huffman解码方式解码Q值，即根据预先制定的码表解码Q值，从比特流(bs)中解码出二进制的R值，并根据K、Q和R值，利用前述公式“eq1”计算出dm值；反映射模块605根据预测值pix_pred与当前dm值进行反映射并计算出当前像素值pix_cur。

在硬件实现中，经常需要权衡面积、效率和功耗等因素。在视频后处理过程中，很多情况下是对视频源进行一次压缩并把压缩后的码流送入片外存储器，在需要的时候从片外存储器中读取码流进行解压缩，由于视频后处理技术有多种如降噪、FRC和增强等，所以需要多路的解压缩装置，而且每一路解压缩装置必须满足视频后处理技术所要求的工作效率，这就对解压缩装置中主要模块之一的解码装置提出了面积和效率的要求。例如对于YUV444格式的视频，本发明提出的两种改进解码装置的方法每个时钟(clock)可以解码3个亮度分量(compenont)，即需Golomb-TT解码装置每个时钟解码3个dm值，如图7所示。

在Golomb-Rice和Golomb-TT解码装置中，时延最长的路径是对Q值的解码部分，采用传统的方法，前者需用9级多路选择器，后者需用6级多路选择器，图8是后者采用传统方法解码Q值的时延路径图，以六位比特流bs[0]-bs[5]为例，从起点sp到终点ep最长需经过6级多路选择器。

本发明提出对如图8所示方法的改进，即采用类似的二分法对Golomb-TT解码装置中的Q进行解码，采用本发明提出的改进方法之后，Golomb-TT解码装置504解码Golomb-TT中的Q值，从起点sp到终点ep最长只需经过4级多路选择器，如图9所示。在本发明较佳实施例中，Golomb-TT解码装置采用二分法解码本发明所提出的Huffman码表，其具体步骤为：

step1：首先判定低4位是否全为0；

step2：接着并行判断最低两位和第五位；

step3：然后并行判断第一、二和五位；

step4：最后判定第三、四和五位。

在高性能的变长解码装置中，要求在一个时钟周期内解码多个像素点分量，例如3个分量。在用传统的设计方法设计Golomb-TT解码装置时，时延长度为：18级的多路选择器和3个2端的6位加法器。本发明采用并行方式解决时延问题，具体如图10所示，Golomb-TT解码装置在一个时钟周期内并行解码比特流bs_48的三个分量的Q和R(dec_Q0、dec_Q1、dec_Q2,dec_R0、dec_R1、dec_R2)，在解码第二个分量Q1时并行加法第一个分量Q0所消耗的比特数len_y0，在解码第三个分量Q2时并行加法第二个分量所消耗的比特数len_y1。采用本发明之Golomb-TT解码装置进行Golomb-TT解码，则时延长度为：12级的多路选择器和1个2端的6位加法器。

综上所述，本发明一种高性能变长编解码方法及装置通过先采用Huffman编码方法编码像素点残差的映射值的Golomb系数(Quotient，Q)，然后采用Golomb编码方法编码像素点残差的映射值的Golomb余数(Remainder，R)，并在解码端解码时采用二分法减少Huffman解码所需多路选择器的级数，同时采用并行的方式解决时延长的问题，有效地解决了现有变长编码方法中编码效率低和解码装置时延长、面积大等的问题。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种高性能变长编码方法，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种高性能变长编码方法，其特征在于，步骤四进一步包括如下步骤：

步骤2.5，循环步骤2.1～2.4编码所有的待编码的残差映射值。

3.如权利要求2所述的一种高性能变长编码方法，其特征在于，步骤2.1中的残差映射值计算公式为：

dm＝Q×2^k+R

4.如权利要求2所述的一种高性能变长编码方法，其特征在于：步骤2.2中，该Huffman编码方式为根据预先制定的码表编码该Golomb系数Q值。

5.一种高性能变长解码方法，包括如下步骤：

步骤二，根据当前行像素值和已编码像素值计算出预测值；

6.如权利要求5所述的一种高性能变长解码方法，其特征在于：于步骤四中，采用Huffman解码方式解码Golomb系数Q，从比特流中解码出二进制的Golomb余数R值，并根据K、Q和R值，利用该残差映射值计算公式计算出各像素点的残差映射值。

7.如权利要求6所述的一种高性能变长解码方法，其特征在于：该残差映射值计算公式为：

dm＝Q×2^k+R

8.一种高性能变长解码装置，至少包括：

9.如权利要求8所述的一种高性能变长解码装置，其特征在于：该Golomb-TT解码装置采用二分法解码Huffman解码方式中的Huffman码表，以减少解码Golomb系数Q中的多路选择器的级数。

10.如权利要求9所述的一种高性能变长解码装置，其特征在于：该Golomb-TT解码装置采用并行方式在一个时钟周期内解码多个像素点分量，并在解码第n个像素点分量的Golomb系数Q时并行加法第n-1个像素点分量所消耗的比特数。