H．264解碼器中CAVLC碼表查找算法的分析與優(yōu)化
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近年來，隨著信息技術(shù)飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，尤其是以視頻為信息主要來源的多媒體領(lǐng)域越來越受到人們的關(guān)注。H．264是ITU-T的視頻編碼專家組(VCEG)和ISO／IEC的活動(dòng)圖像編碼專家組(MPEG)的聯(lián)合視頻組(Joint Video Tearn，JVT)開發(fā)的一個(gè)新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它既是ITU-T的H．264，又是ISO／IEC的MPEG-4的一部分。H．264和以前的標(biāo)準(zhǔn)一樣，也是DPCM加變換編碼的混合編碼模式。H．264標(biāo)準(zhǔn)可分為三檔：基本檔次(其簡單版本，應(yīng)用面廣)；主要檔次(采用了多項(xiàng)提高圖像質(zhì)量和增加壓縮比的技術(shù)措施，可用于SDTV、HDTV和DVD等)；擴(kuò)展檔次(可用于各種網(wǎng)絡(luò)的視頻流傳輸)。
H．264／AVC的編解碼框架的基本結(jié)構(gòu)與早期的編碼標(biāo)準(zhǔn)(H．263、MPEG4等)相似，都是由運(yùn)動(dòng)估計(jì)、變換、量化、熵編碼、環(huán)路去塊效應(yīng)濾波器等功能單元組成的。H．264視頻編碼框架的主要變化包括：引入了環(huán)內(nèi)去塊效應(yīng)濾波器，去塊效應(yīng)處理后的宏塊被保存在內(nèi)存中用于對(duì)后續(xù)宏塊的預(yù)側(cè)；采用了多參考幀運(yùn)動(dòng)估計(jì)，需要在內(nèi)存中保留多個(gè)參考視頻幀；引入了幀內(nèi)預(yù)測機(jī)制，可以通過同一幀內(nèi)的宏塊進(jìn)行預(yù)測；采用了新的整型變換方式，取代了以前的離散余弦變換(DCT)；H．264與以前視頻標(biāo)準(zhǔn)在運(yùn)動(dòng)估計(jì)的模式上也有了較大的變化，H．264支持7種模式的可變塊運(yùn)動(dòng)估計(jì)。此外，在熵編碼中還引入了上下文自適應(yīng)的變長編碼(CAVLC)和二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)。
在熵編碼方面，H．264使用了CABAC和CAVLC兩種不同的編碼方式。CABAC熵編碼是一種基于區(qū)間劃分的算術(shù)編碼方式。這種編碼方式的效率很高，接近信息熵值，但算法相對(duì)復(fù)雜，編解碼速度較慢。CAVLC是一種可變長編碼，它根據(jù)已編碼語法元素的情況動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼中使用的碼表，在編碼過程中有些語法元素是組合編碼的，當(dāng)對(duì)這些元素進(jìn)行查找時(shí)就會(huì)耗費(fèi)很長的時(shí)間。因此對(duì)CAVLC的優(yōu)化顯得格外重要。
1 原碼表查找算法
原碼表的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為二維表結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)的內(nèi)容為碼字，二維坐標(biāo)分別代表解碼后的兩個(gè)語法元素。對(duì)于二維表結(jié)構(gòu)。若通過坐標(biāo)查找內(nèi)容是很容易的；而通過內(nèi)容查找坐標(biāo)，就需要對(duì)整個(gè)表進(jìn)行遍歷。JM中的碼表查找算法就是通過遍歷整個(gè)碼表實(shí)現(xiàn)的，步驟如下：
(1)取碼表的中的一個(gè)碼字；
(2)根據(jù)碼字長度從碼流中取出相應(yīng)長度的bit；
(3)比較此碼字和bit串，若相同則查找成功，否則若碼表中還有碼字，回步驟(1)，否則查找失敗。
2 算法的優(yōu)化分析
2．1 基于前綴零分組子表搜索算法
基于上下文自適應(yīng)的變長編碼的解碼算法需要不斷的讀取碼流，判斷，直到在碼表中找到該碼字，如此反復(fù)，直至解碼整個(gè)塊。由此可見該過程的時(shí)間空間復(fù)雜度都是相當(dāng)高的。由于變長碼為霍夫曼前綴碼，所以可以根據(jù)碼表的特性，按照碼字長度將原來的一個(gè)碼表，按照碼字長度對(duì)原碼表進(jìn)行分割，以Coeff_token碼表為例，原碼表如表1所示，表中NC=-1。
在參考模型中，搜索碼表算法過程如下：
(1)從最短碼長開始，讀出該長度二進(jìn)制數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)的碼字；
(2)遍歷碼表，如找到該碼字進(jìn)行步驟(4)，否則進(jìn)入(3)；
(3)碼字長度加1，重定位指針位置，重復(fù)步驟(2)；
(4)讀取該碼字對(duì)應(yīng)值，更新指針位置。
從上面過程中不難發(fā)現(xiàn)，碼字長度的不確定性使得在讀取字節(jié)流時(shí)只能一次次的試探，導(dǎo)致了效率的下降。如果可以將變長碼的讀取采取固定的策略，一次讀取固定的長度，之后再做判斷，再讀取一定長度，這樣將判斷的次數(shù)也固定，從理論上可以降低不斷搜索和重定位指針帶來的時(shí)間和空間復(fù)雜性。利用可以利用碼表中碼字前綴零數(shù)目的不同，將表1拆分為兩個(gè)子表，如表2，表3所示NC為-1。
改進(jìn)后的碼表搜索算法如下：
(1)讀取最大碼字長度的二進(jìn)制流；
(2)根據(jù)不同的前綴零位數(shù)、右移位、判零以確定碼字所在子表；
(3)直接根據(jù)碼值讀取對(duì)應(yīng)值，更新指針位置。
新的搜索過程不但避免了不確定性，而且無需遍歷碼表，這樣可以在一定程度上提高變長解碼的效率。
按照改進(jìn)的算法步驟，解碼時(shí)，首先從字節(jié)流中讀取8位碼字，由于前綴零個(gè)數(shù)分為大于3和小于3的兩種情形，所以右移5位，若為零，則查找表2，否則查找表1，根據(jù)碼值直接解碼出±1個(gè)數(shù)，非零系數(shù)數(shù)目。此外在設(shè)計(jì)代碼時(shí)，還可利用二叉搜索樹的特性，設(shè)計(jì)搜索過程，提高解碼效率。
評(píng)論