CN1132966A - 树状结构二进制算术编码器 - Google Patents

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    • H03M7/00—Conversion of a code where information is represented by a given sequence or number of digits to a code where the same, similar or subset of information is represented by a different sequence or number of digits
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    • H03M7/40—Conversion to or from variable length codes, e.g. Shannon-Fano code, Huffman code, Morse code
    • H03M7/4006—Conversion to or from arithmetic code

Abstract

对N个值的输入数符使用树状结构二进制算术编码器进行编码的方法包括：将输入数符转换成M位二进制数符；选择M个码符，各码符与所述M位二进制数符的各位相对应且表示二进制数符的不同概率模型，其中多个码符值被分成M组，第K组码符包括2K-1个码符，较大的K值表示上位，第一位的码符包括在第一组码符中，第L位的码符响应第L位的上位从第L组码符中选择出来，根据相应的码符对所述M位二进制数符串行地编码。

Description

树状结构二进制算术编码器
本发明涉及使用二进制算术编码作数据压缩的方法及装置，尤其是，涉及使用二进制算术编码的多值数符的树状结构编码的方法和装置。
算术编码是可变长度编码方法中的一种，它趋于理想编码方案中表示每数符平均码长的平均信息量极限。在该算术编码方法中，输入数符以从1至0的概率间隔被排列成对编码器及解码器均是已知的序列。算术编码的目的在于创造一种码流，它是指向相应于被编码的输入数符的间隔的二进制部分。将多个数符的编码是将概率间隔再分成愈来愈小的子间隔并总是与一专门数符的概率成比例地处理。只要码流不被允许指向分配给相应数符的子间隔的外部，解码器将会恢复原始的输入数符。随着再划分过程的进行，子间隔的长度变小，而对于子间隔长度(通称为“A”)及码流指向的现在位置(通称为“C”)必须更加精确。因此，每当A降低到某适当的最小值以下时，执行对间隔的重分度或A及C的再归一化。
通常，对算术编码器的输入是一个多值的数符。同时，标准图象处理方案、例如JPEG(联合摄影专家组)采用了二进制算术编码方法。该二进制算术编码方法完全如上述那样地工作，只是输入数符仅具有两个值。选择二进制编码方法是为了有效的执行。例如，使用二进制输入数符可使人简化间隔再分度的执行，由此取消了乘法的需要。
将输入限定为二值的数符，就需要将多值的数符转换成一个二进制的数符序列。
在传统的使用二进制算术编码方法的编码器中，多值输入数符被转换成一个二进制数符序列，然后使用二进制算术编码对每个二进制数符进行编码。
参照图1，这是一个当其输入为多值数符的、使用二进制算术编码的传统编码器的例子。表1表示输入数符值及图1所示的编码器1中使用的从多值数符值转换来的二进制数符值的序列。
如表1中所示，假定输入数符是从0至6范围中的一个整数值，并且它被转换成3位的二进制数符。如果可能的输入数符值的数目是N，N大于2M，则多值输入数符被转换成M位二进制输入数符，并且使用二进制算术编码方法对每位进行编码。
对于给定输入数符的实际编码或转换处理依赖于输入数符的统计特性。这就是说，在编码处理中使用的参数根据输入数符的特性而变化。在表示多值输入数符的二进制数符序列中，每位具有不同的统计性能，故对于二进制数符的每位施加不同的编码处理。因此，在二进制算术编码器中，对三个位(B2，B1，B0)中的每个位用不同的统计模型或码符(Context)进行编码。码符被看作二进制算术编码器所使用的概率决定表中的一个指数并与间隔长度A有关。
在图1中，多值输入数符在二进制转换器10中被转换为三位二进制数符，并串行地馈送到BAC30，其中BAC表示二进制算术编码器。使用了三个不同的码符、如0，1，2分别地对三个位B2，B1，B0进行编码。尤其是，第一位B2被用码符0编码。
在上述传统编码器1中，用于位B1的码符与位B2无关地预先被确定。换句话说，不管位B2是“0”或“1”不会影响位B1及B0的码符。但是，对于通常的输入数据如图象信号，这三个位彼此具有一定的相关性。因此，从编码效率的观点来看，寻找一种能利用该相关性的编码方法，以取代使用不考虑另外二进制数码的相同码符的方法是有利的。
因此，本发明的目的是提供一种使用二进制算术编码的编码方法及装置，其中充分地利用了输入数符的统计特性。
根据本发明提供了一种用于对N个值输入数符编码的方法，其中N是一个大于2M-1但不于2M的整数，M为非负的整数，该方法包括下列步骤：
将输入数符转换成M位的二进制数符；
在多个码符中选择M个码符，每个码符与所述M位的二进制数符的每个位相对应，且每个码符表示二进制数符的不同概率模型，其中多个码符值被分成M组码符，第K组码符包括2K-1个码符，K是从1至M的一个整数，较大的K值表示上位，对应于第一位的码符包括在第一组码符中，对应于第L位的码符响应第L位的上位从第L组码符中选择出来，L是从2至M范围中的一个整数；及
使用二进制算术编码方法根据相应的码符对所述M位二进制数符串行地编码。
从以下结合附图对优选实施例的说明将会阐明本发明的上述及另外的目的及特征，其附图为：
图1表示对多值输入数符进行编码的一个传统编码器的例子；
图2表示本发明的用于对图1的多值输入数符编码的编码器；
图3是说明码符选择方案的示意图；
图4A至4C表示根据本发明的编码程序。
参照图2，它表示本发明的一个编码器2，其中使用了与图1(或表1)中相同的多值输入数符。在本发明的该编码器中，是在分组单元100中进行多值输入数符到二进制数符的转换的。分组处理实质上与表1所示的二进制转换相类似。对于不同格式的输入数符，可使用不同的分组方案。但是，它可被归纳为将输入数符转换为组指示位的处理，其中在分组处理的第一阶段中所有可能的数符值被分离成二个子组，即表示为组指示位1的上组及表示为位0的下组。在分组处理的后一阶段中，将包括在一个子组中的数符值进行再划分，直到每个子组包括不超过一个数符值为止。在图2所示的编码器中使用了三组指示位(B2，B1，B0)。第一组指示位B2指示：在分组处理的第一阶段中输入数符是否属于上组或属于下组。另外的组指示位涉及分组处理的后一阶段。
组指示位(B2，B1，B0)被串行地耦合到BAC110。在本发明中，用于位B1及B0的码符不是如在图1所示的现有技术编码器1中那样预先确定的，而是在码符选择单元120中确定出来的。这些码符与相应的组指示位B1及B0一起被馈入BAC110。
在图2所示的编码器2中，B2是在BAC110中用一个预定的码符、例如0来编码的。但是，用于对第二位B1编码的码符是响应位B2在码符选择单元120中确定的，位B2是B1的上位。例如，如果B2为1，对于B1的码符为4，而如果B2为0，对于B1的码符为1。对于第三位B0也采用类似的方式。用于对第三位B0编码的码符是响应作为B0上位的位B2及B1在码符选择单元120中确定的。图3是用于解释上述码符选择方案的树系图。如果B1的码符为1，则2或3可被选择为B0的码符，但不能选择5或6。相反地，如果B1的码符是4，则5或6可被选择为B0码符，便不能选择2或3。简言之，用于某一输入位的码符是以图3所示的分级方式根据该输入位的上位来确定的。
例如，使用码符0，1及2来对数“001”进行编码。对于“101”，使用了码符0，4及5。在表2中，对应于组指示位地表示出码符的组合，这些组指示位相应于表1中相同的输入数符组。
应该指示，对于输入数符1使用码符1对第二位B1进行编码，而对于输入数符5则使用码符4对B1进行编码。在本发明的编码器2中所使用的全部码符数目大于图1中所示的传统编码器1的全部码符数。但是，由于使用了各种码符，输入数符的统计特性可以全部被使用，由此便可提供更有效的编码结果。
在BAC110中根据如上述确定的码符对组指示位编码。接着输入的数符在本发明的编码器2中以上述方式被处理，由此提供编码输出数符。
参照图4A至4C在图2中所示的本发明编码器2中进行的编码程序以流程图的形式重新被说明。
子程序TSAC_ENCODE(VALUE，HALF，CONTEXT)表示对多值输入数符编码的程序，其中VALUE表示一个输入数符值，而CONTEXT表示用于对第一组指示位编码的起始码符。为简便起见，设定起始码符为0。并假定输入数符具有多个整数值，例如0至6。但是在输入数符具有非整数值如0.001、0.013、0.025等时，利用将其每个值转换成整数0至N-1，其中N是可能输入的值的数目，便可使用相同的程序。变量HALF、当输入值的数目大于2M-1但不大于2M时，表示2M-1。对于输入数符0至6，HALF为4。全部码符的数目为：(2*HALF-1)。在图4A至4C中所绘的程序也将对于输入数据1及5进行说明。
在图4B至4C中，CODE_0(CONTEXT)及CODE_1(CONTEXT)分别表示利用给定码符对值0及1的组指示位进行编码的子程序，及CODE_01(VALUE，CONTEXT)表示在VALUE为0的情况下调用CODE_0(CONTEXT)、而在VALUE为1的情况下调用CODE_1(CONTEXT)的子程序。
首先，在步骤S20上确定输入数符值是否属于上组或是下组。对于在分组的第一阶段中属于下组的输入数符“1”，VALUE小于HALF，则在步骤S22中调用子程序TSAC_ENCODE_0(1，2，0)，其中HALF值被2除。在TSAC_ENCODE_0(1，2，0)中，第一组指示位在步骤S30上被编码成CODE_0(0)。在步骤S32上，确定是否必须进行再分组处理。在HALF为1的情况下，VALUE是仅二个值中的一个，即0及1中的一个，并可在步骤S34上使用子程序CODE_01(VALUE，CONTEXT＋1)进行编码。但是，HALF现在为2，因此VALUE在步骤S36上再与HALF相比较，并在步骤S38上循环地调用子程序TASC_ENCODE_0(1，1，1)。程序继续进行到步骤S30，其中调用CODE_0(1)对第二组指示位编码，然后进入步骤S32。这时HALF为1则在步骤S34上调用CODE_01(1，2)对第三组指示位编码，并结束编码处理。
对于输入数符“5”，它在分组第一阶段中属于上组，VALUE大于HALF，则在步骤S24上调用子程序TSAC_ENCODE_1(1，2，0)，并使VALUE减去HALF及将HALF除以2。在TSAC_ENCODE_1(1，2，0)中，在步骤S40上调用CODE－1(0)对第一组指示位编码。现在HALF为2，因此在步骤S46上VALUE再与HALF相比较，并在步骤S48上调用子程序TSAC_ENCODE_0(1，1，4)。程序继续进行到步骤S30，其中调用CODE_0(4)对第二组指示位编码，然后进行到子程序TSAC_ENCODE_0(1，1，4)中的步骤S32。这时HALF为1，则在步骤S34上调用CODE_01(1，5)对第三组指示位编码，并结束编码处理。
通过对上述程序的回顾，可以知道，对于输入数符1及5所使用的码符与表2中所示的相吻合。
虽然本发明的编码器是根据7个值的输入数符进行说明的，但只要稍加变更便可使本发明的编码器处理各种输入模式。
虽然本发明是相对专门的实施例作出描述的，但显然，在不脱离以下权利要求书限定的本发明的精神及范围的情况下对于本领域的熟练技术人员来说可作出各种变化和修改。
表1
多值输入数符 二进制输入数符(B2′B1′B0)
    0     000
    1     001
    2     010
    3     011
    4     100
    5     101
    6     110
  未使用     111
表2
输入数符 组指示位(B2′B1′B0) 用于B2′B1′及B0的码符
    0     000     012
    1     001     012
    2     010     013
    3     011     013
    4     100     045
    5     101     045
    6     110     046
  未使用     111     046

Claims (2)

1、用于对N个值输入数符编码的方法，其中N是一个大于2M-1但不大于2M的整数，M是非负的整数，该方法包括下列步骤：
将输入数符转换成M位的二进制数符；
在多个码符中选择M个码符，每个码符与所述M位扔二进制数符的每个位相对应，且每个码符表示二进制数符的不同概率模型，其中多个码符值被分成M组码符，第K组码符包括2K-1个码符，K是从1至M的一个整数，较大的K值表示上位，对应于第一位的码符包括在第一组码符中，对应于第L位的码符响应第L位的上位从第L组码符中选择出来，L是从2至M范围中的一个整数；及
使用二进制算术编码方法根据相应的码符对所述M位二进制数符串行地编码。
2、用于对N个值输入数符编码的装置，其中N是一个大于2M-1但不大于2M的整数，M是非负的整数，所述装置包括：
用于将输入数符转换成M位的二进制数符的装置；
用于在多个码符值中选择M个码符的装置，每个码符与所述M位的二进制数符的每个位相对应，每个码符值表示二进制数符的不同概率模型，其中多个码符值被分成M组码符，第K组码符包括2K-1个码符，K是从1至M的一个整数，较大的K值表示二进制数符的上位，对应于第一位二进制数符的码符包括在第一组码符中，对应于第L位的码符响应第L位的上位从第L组码符中选择出来，L是从2至M范围中的一个整数；及
二进制算术编码器，它根据相应的码符对所述M位二进制数符串行地编码。
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