CN1364341A

CN1364341A - 算术编码信息信号的算术译码

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Publication number: CN1364341A
Application number: CN01800440A
Authority: CN
Inventors: R·J·范德弗洛伊藤; B·A·M·兹瓦安斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2002-08-14
Also published as: WO2001067616A1; US20030080883A1; US7079050B2; JP2003526986A; TW506196B; US20030225803A1; US6580379B2; EP1186105A1

Abstract

发明涉及改进算术译码器的措施。将算术编码信息信号进行算术译码得到包括一串n个比特码元的信息信号的方法被用来在一个译码周期中对信息信号的连续两个码元进行译码,如果要译码的第一个码元具有最大概率。

Description

算术编码信息信号的算术译码

本发明涉及将算术编码信息信号进行算术译码，得到包括n比特码元串行序列的信息信号的一种方法，其中n是一个整数，并且n＝1，该方法包括以下步骤：

(a)接收所述算术编码信号，

(b)从长度有限的第一个寄存器和第二个寄存器分别为A参数和C参数提取值，A参数跟取值区间大小有关，C参数跟这个区间的边界有关，

(c)为要译码的有关码元产生至少一个概率值，

(d)根据所述至少一个概率值，以及从所述第一个寄存器和第二个寄存器分别提取出来的A和C的值，产生一个码元，

(e)至少更新A参数，以便获得这个区间新的长度，对信息信号的下一个码元进行译码，

(i)输出译码得到的码元，

(j)视情况而定，

-对更新过的A参数重新归一化，获得重新归一化过的A参数，和

-更新C参数，获得更新过的C参数，

(k)分别将从步骤(j)获得的A参数和C参数存入第一个寄存器和第二个寄存器。

本发明还涉及将算术编码信息信号进行译码的一种装置。

第一段中定义的方法可见于WO 99/49579(PHN 16.822)。算术编码是一种众所周知的有损编码技术，它的介绍可以在任意一本源编码书中找到。为了全面地了解跟当前工作有关的算术编码技术，请参考[Lang 84]。在这篇文献的附录中全面地介绍了算术编码的历史。

已知的方法顺序地对从编码信息信号提取出来的码元进行译码以获得译码码元。本发明中的算术编码方法采用两个长度有限的寄存器，通常将它们叫做C和A。译码器流程图在图1中给出。图2说明从图1中“输出码元……”开始的流程图，对应于要译码的是二进制码元的情形。MPS和LPS分别是最大概率码元和最小概率码元。参数p是LPS的概率。译码得到的比特值放在b中。图3是图1中“重新归一化……”块的流程图。图1中译码器流程图的块通常是用专用硬件来实现的，以便对收到的信息进行实时译码。图1中有一个循环。译码程序完成一次循环的时候，输出一个译码码元。获得一个译码码元所需要的时间取决于执行图1所示循环中三项操作所需要的时间。应当开始执行操作，除非这个循环中前一次操作已经完成。为了缩短执行时间，译码器用专用硬件实现。用软件实现的时候，“重新归一化A……”这一块所需要的执行时间跟A参数的值有关。图3说明随着A的值不同，这一循环必须执行许多次。例如，对于SACD应用，循环的最大次数是7次。但是，当它是用专用硬件实现的时候，执行时间就跟最差情形有关，也就是跟必须执行最多次数的循环这种情形有关。由于在译码过程中最差情形出现的次数很少，“重新归一化A……”块是顺序获得一个译码码元所需要的时间的一个限制因素。

本发明的目的是改进上述算术译码器。按照本发明，将上述编码信息信号进行算术译码，得到包括n比特码元的一个串行序列的信息信号的方法包括以下步骤，其中n是一个整数，n≥1，该方法被用于在一个译码周期中从信息信号获得两个连续的输出码元：

(a)接收算术编码信息信号，

(b)分别从长度有限的第一个寄存器和第二个寄存器提取参数A和参数C的值，其中的参数A跟取值区间的长度有关，参数C跟所述区间边界有关，

(c)为要译码的第一个码元产生第一个概率值，这第一个概率值说明第一个码元具有最小概率值的概率，为要译码的随后一个码元产生第二个概率值，这第二个概率值说明第二个码元具有最小概率值的概率，假设要译码的第一个码元具有最大概率值，

(d)按照第一个概率值和分别从第一个和第二个寄存器获得的A和C的值得到第一个码元，

(e)更新A参数，从而获得更新过的A参数，

(f)假设译码获得的第一个码元具有最大概率值，将从第一个存储器获得的A值更新成临时A参数的值，

(g)从第二个寄存器中的C参数提取一个临时C参数，

(h)从第二个概率值和临时参数A和临时参数C提取第二个码元，

(i)当第一个码元具有最大概率值的时候输出第一个和第二个码元，或者如果第一个码元具有最小概率值就只输出第一个码元，

(j)获得新的A和C参数，

(k)分别将新的参数A和C存入第一个寄存器和第二个寄存器。

本发明是建立在以下认识的基础之上的。在循环开始的时候参数A的值是≥1/2且＜1。要译码的第一个码元的概率值是一个最小概率码元值，p₁≤1/2。假设要译码的第一个码元具有最大概率码元值的时候，按照图2中的流程图，A参数的下一个值将是A-Z，其中Z＝A*p₁。这样，A的下一个值等于A*(1-p₁)，因此1/4≤A的下一个值＜1。这意味着要译码的第一个码元具有最大概率码元值，“重新归一化A……”块中的循环最多只需要执行一次。用专用硬件来完成这一“重新归一化A……”功能将比每个译码周期只对一个码元进行译码的时候完成“重新归一化A……”功能所需要的时间短得多，这一执行时间取决于所述功能中必须执行的循环的最大次数。这样，如果两个随后输出的码元的第一个输出码元具有最大概率码元值，获得随后输出的码元所需要的时间要比按照现有技术译码方法在每个译码周期中对一个输出码元进行译码从而顺序地获得每个输出的码元所需要的时间短。

因此，按照本发明，采用每个译码周期只获得一个输出码元的现有技术中的译码方法，并且给出每个译码周期输出两个码元的一种方法并行执行，假设要译码的第一个码元具有最大概率值。取决于第一个译码码元的码元值，每个译码周期将获得一个或者两个译码码元。作为确定一个译码输出码元的步骤和确定两个译码输出码元的步骤的结果，假设第一个输出码元具有最大概率码元值，对编码信息信号进行译码所需要的时间得以缩短。

下面将参考附图详细地描述本发明的这些方面和其它方面，其中：

图1是现有技术中算术译码器的一个流程图，

图2说明二进制情形中图1里“输出码元……”这个译码器块的流程图，最小概率码元概率等于p，要译码的比特的值被放进b。

图3说明图1中标为“重新归一化……”的译码器块的流程，

图4是本发明中译码器的流程图，

图5是图4中标为“最优化重新归一化……”的译码器块的流程图，

图6说明译码器装置的一个实施方案。

图4是本发明中按照要译码的第一个比特的值对一个或者两个比特进行译码的译码器的一个流程图。当第一个比特等于1(最小概率码元，LPS)的时候，只对这一个比特进行译码。但是当第一个比特等于(最大概率码元，MPS)零的时候，总是对两个比特进行译码，而不管第二个比特的值是什么。这样，采用了要译码比特(MPS，MPS)＝(0，0)和(MPS，LPS)＝(0，1)构成的组。

这个流程图有两个主要分支。左边的第一个分支是对单独一个码元进行译码的标准流程。右边的第二个分支对第二个比特进行译码，假设第一个译码码元具有最大概率码元值。在这个假设下，在第一个比特已经完成译码之前就能够开始对第二个比特进行译码。这样，当第一个比特真的具有最大概率码元值的时候，第二个比特也就出来了，也能够同时输出。当第一个比特具有最小概率码元值的时候，就抛弃第二个分支的结果。

下面将稍微详细地描述这个流程图。

图4中的块“读取p₁和p₂”提取概率值p₁和p₂。概率p₁是正常值，总是用来对单独一个比特进行译码，并且是要译码的第一个码元具有最小概率码元值的概率。概率p₂是要译码的第二个码元具有最小概率码元值的概率，假设要译码的第一个码元具有最大概率码元值。一个外部模块按照正常的方式产生第二个概率p₂，它是通过填充未知第一个比特的最大概率码元值在前面先走一步。

左边分支按照通常方式进行，如同WO 99/49579(PHN 16.822)所描述的一样。右边分支跳过第一个比特的译码步骤，立即调整A，就像第一个比特具有最大概率码元值一样。调整值AA的时候按照正常方式重新归一化。但是，由于是二进制数据，最大概率码元的概率(在这种情况下是0)总是不小于1/2，重新归一化循环最多循环一次，使得这一循环实际上不再存在，如图5所示。执行完“最优化的重新规划AA……”这一块以后，按照正常的方式对第二个比特进行译码。

当两个并行分支走到一起的时候，检查第一个译码比特b₁的值是不是真的是最大概率码元值。如果不是，就将第二个分支的结果完全抛弃，只输出第一个比特b₁。如果这一假设是正确的，第一个比特具有最大概率码元值，就输出第一个(MPS)和第二个比特，调整A和C，让它保存正确的值(AA，CC)，它们跟传统的顺序方式中的两个比特进行译码以后得到的值相同。

最后，按照通常方式将参数A和C进行重新归一化，获得下一个或者两个译码输出码元。

图6是本发明中译码器装置的一个实施方案。这个译码器装置有一个输入端120，用于接收编码信息信号。有长度有限的第一个寄存器122和第二个寄存器124，分别用于储存参数A和参数C。

有一个处理单元126，用于按照通过输入端134提供给处理单元126的概率信号，对通过输入端120收到的编码信息信号进行译码。概率信号可以按照一种众所周知的方式来获得。为一比特音频信号获得概率的一个实例在文献[Bruek 97]中给出。在这个实例中，概率是从提供给输出端128的译码输出信号获得的，也就是通过在一个预测滤波器136对译码输出信号进行预测滤波，并且按照概率确定单元138中预测滤波器136的输出信号产生概率信号来获得的。应当明白，在没有非常详细地考虑处理单元126的情况下，这个单元包括从第一个和第二个寄存器为参数A和参数C提取值的电路，还包括已经对一个码元完成译码以后，将更新过的重新归一化过的值A和C分别储存在第一个寄存器122和第二个寄存器124中的电路。单元126还包括电路用来执行图4、5、2和3中的步骤。

译码器装置最好还有一个信道译码单元132，这在本领域中众所周知，用于对信道编码信息信号进行信道译码(以及如果需要进行差错校正)，为算术译码器126获得算术编码信息信号，还有一个读出单元130，用于从一个记录载体读出信道编码信号，比方说从磁记录载体116或者光记录载体118读出信道编码信号。

算术编码被用于多数现代有损和无损视频和音频编码方案中。还可以用于计算机数据(比方说文本文件)的压缩中。这里的应用是1比特音频信号无损编码。对此可参阅美国序列号08/966375，对应于EP专利申请第97201680.2号(PHN16405)，美国序列号08/937435，对应于国际专利申请第IB 97/01156号(PHN16452)。

虽然已经参考优选实施方案描述了本发明，但是应当明白它们是非限制性的实例。这样，对于本领域中的技术人员而言各种改进都不会偏离下面的权利要求说明的本发明的范围。

此外，本发明在于每个新的特征和它们的组合。

参考文献

[Lang 84]G.G.Langdon，“算术编码简介”，IBM研究开发杂志，第28卷，第135～149页，1984年3月。

[Bruek 97]F.Bruekers等等，“1比特音频信号改进了的无损编码”，第103届AES会议宣讲，1997年9月26～29日，预印本4563(I-6)。

Claims

1.对算术编码信息信号进行算术译码，获得包括n个比特码元的一个顺序序列的信息信号的一种方法，其中n是一个整数，并且n＝1，这个方法被用于在一个译码周期中获得信息信号的两个连续输出码元，包括以下步骤：

(a)接收算术编码信息信号，

(c)为要译码的第一个码元产生第一个概率值，这第一个概率值说明第一个码元具有最小概率值的概率，为译码的随后一个码元产生第二个概率值，这第二个概率值说明第二个码元具有最小概率值的概率，假设要译码的第一个码元具有最大概率值，

(e)更新A参数，从而获得更新过的A参数，

(g)从第二个寄存器中的C参数获得一个临时C参数，

(h)从第二个概率值和临时参数A和临时参数C获得第二个码元，

(i)当第一个码元具有最大概率值的时候输出第一个和第二个码元，或者如果第一个码元具有最小可能值就只输出第一个码元，

(j)获得新的A和C参数，

(k)分别将新的参数A和C存入第一个寄存器和第二个寄存器。

2.权利要求1的方法，其特征在于步骤(d)是跟步骤(f)、(g)和(h)同时进行的。

3.权利要求1或者权利要求2的方法，其特征在于在步骤(i)中只输出第一个码元的情况下，步骤(j)包括以下子步骤

-从步骤(e)中获得的更新过的A参数获得新的A参数，和

-从步骤(d)中第二个寄存器获得的C参数获得新的C参数。

4.权利要求1、2或者3的方法，其特征在于，在步骤(i)中同时输出第一个和第二个码元的情况下，步骤(j)包括以下子步骤

-从步骤(f)获得的临时A参数获得新的A参数，和

-从步骤(g)获得的临时C参数获得新的C参数。

5.权利要求4的方法，其特征在于获得新参数A和C的步骤还包括以下子步骤

-更新临时A参数，从而获得一个中间A参数，

-如果步骤(h)中获得的第二个码元具有最小概率值，就更新临时C参数，获得一个中间C参数，

-从中间A参数获得一个新的A参数，和

-从中间C参数获得新的C参数。

6.权利要求1的方法，其特征在于步骤(f)包括以下子步骤

-将第一个寄存器中的A参数跟第一个概率值相乘，获得第一个参数值，

-从A的值减去第一个参数值，获得第二个A参数值，

-使临时参数A等于第二个参数值，或者将第二个参数值乘以第一个常数，以获得临时参数值A。

7.权利要求6的方法，其特征在于步骤(g)包括以下子步骤

(g1)将第二个参数值A跟第二个常数值进行比较，如果第二个参数值A小于第二个常数值，

(g2)读取1比特算术编码信号

(g3)通过将C参数的比特移动一位，将参数C乘以一个常数，和

(g4)将步骤(g2)中获得的1比特算术编码信息信号跟步骤(g3)中获得的参数C加起来，获得临时参数C，

以及，如果第二个参数值A大于或者等于第二个常数值，

(g5)让临时参数C等于步骤(b)中从第二个寄存器中提取的C参数。

8.执行以上任一权利要求中的方法的译码装置。

9.权利要求8中对上述编码信息信号进行译码，获得包括n个比特顺序序列信息信号的译码装置，其中n是一个整数，并且n＝1，以及在一个译码周期中获得信息信号两个连续的输出码元的装置，包括：

-用于接收算术编码信息信号的输入装置(120)，

-长度有限的第一个寄存器和第二个寄存器(122，124)，第一个寄存器用来储存A参数，A参数跟取值区间的长度有关，第二个寄存器用来储存C参数，C参数跟所述区间的边界有关，

-分别从第一个和第二个寄存器提取参数A和C的值的提取装置，

-为要译码的第一个码元产生第一个概率值的产生器装置(138)，第一个概率值说明第一个码元具有最小概率值的概率，以及用于为要译码的时候码元产生第二个概率值，第二个概率值说明第二个码元具有最小概率值的概率，假设要译码的第一个码元具有最大概率值，

-按照第一个概率值以及从第一个和第二个分别获得的A和C的值，获得第一个码元的第一个获取装置，

-更新A参数，从而获得更新过的A参数的第一个更新装置，

-假设译码得到的第一个码元具有最大概率值，更新从第一个寄存器获得的A值，获得一个临时A参数的值的第二个更新装置，

-利用从第二个寄存器提取的C参数获得临时C参数的第二个获得装置，

-按照第二个概率值以及临时A参数和临时C参数的值，获得第二个码元的第三个获取装置，

-当第一个码元具有最大概率值的时候输出第一个和第二个码元，当第一个码元具有最小概率值的时候只输出第一个码元的输出装置(128)，

-获得新的A和C参数的第四个获取装置，

-分别将新的A和C参数存入长度有限的第一个和第二个寄存器的装置。

10.权利要求8或者9的译码装置，其特征在于还包括信道译码装置(132)，用于对信道编码算术编码信息信号进行译码，在算术译码之前获得算术编码信号。

11.权利要求10的译码装置，其特征在于它还包括读取装置(130)，用于从一个记录载体读取信道编码算术编码信信号。