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罗索实验室

H.264解码器中CAVLC码表查找算法的分析与优化

落鹤生 发布于 2012-05-07 09:48 点击:次 
CAVLC是一种可变长编码,它根据已编码语法元素的情况动态调整编码中使用的码表,在编码过程中有些语法元素是组合编码的,当对这些元素进行查找时就会耗费很长的时间。因此对CAVLC的优化显得格外重要。
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0 引 言
    近年来,随着信息技术飞速发展和互联网的日益普及,尤其是以视频为信息主要来源的多媒体领域越来越受到人们的关注。H.264是ITU-T的视频编码专家 组(VCEG)和ISO/IEC的活动图像编码专家组(MPEG)的联合视频组(Joint Video Tearn,JVT)开发的一个新的数字视频编码标准,它既是ITU-T的H.264,又是ISO/IEC的MPEG-4的一部分。H.264和以前的标 准一样,也是DPCM加变换编码的混合编码模式。H.264标准可分为三档:基本档次(其简单版本,应用面广);主要档次(采用了多项提高图像质量和增加 压缩比的技术措施,可用于SDTV、HDTV和DVD等);扩展档次(可用于各种网络的视频流传输)。
    H.264/AVC的编解码框架的基本结构与早期的编码标准(H.263、MPEG4等)相似,都是由运动估计、变换、量化、熵编码、环路去块效应滤波器 等功能单元组成的。H.264视频编码框架的主要变化包括:引入了环内去块效应滤波器,去块效应处理后的宏块被保存在内存中用于对后续宏块的预侧;采用了 多参考帧运动估计,需要在内存中保留多个参考视频帧;引入了帧内预测机制,可以通过同一帧内的宏块进行预测;采用了新的整型变换方式,取代了以前的离散余 弦变换(DCT);H.264与以前视频标准在运动估计的模式上也有了较大的变化,H.264支持7种模式的可变块运动估计。此外,在熵编码中还引入了上 下文自适应的变长编码(CAVLC)和二进制算术编码(CABAC)。
    在熵编码方面,H.264使用了CABAC和CAVLC两种不同的编码方式。CABAC熵编码是一种基于区间划分的算术编码方式。这种编码方式的效率很 高,接近信息熵值,但算法相对复杂,编解码速度较慢。CAVLC是一种可变长编码,它根据已编码语法元素的情况动态调整编码中使用的码表,在编码过程中有 些语法元素是组合编码的,当对这些元素进行查找时就会耗费很长的时间。因此对CAVLC的优化显得格外重要。

1 原码表查找算法
    原码表的存储结构为二维表结构。存储的内容为码字,二维坐标分别代表解码后的两个语法元素。对于二维表结构。若通过坐标查找内容是很容易的;而通过内容查找坐标,就需要对整个表进行遍历。JM中的码表查找算法就是通过遍历整个码表实现的,步骤如下:
    (1)取码表的中的一个码字;
    (2)根据码字长度从码流中取出相应长度的bit;
    (3)比较此码字和bit串,若相同则查找成功,否则若码表中还有码字,回步骤(1),否则查找失败。

2 算法的优化分析
2.1 基于前缀零分组子表搜索算法
   
基于上下文自适应的变长编码的解码算法需要不断的读 取码流,判断,直到在码表中找到该码字,如此反复,直至解码整个块。由此可见该过程的时间空间复杂度都是相当高的。由于变长码为霍夫曼前缀码,所以可以根 据码表的特性,按照码字长度将原来的一个码表,按照码字长度对原码表进行分割,以Coeff_token码表为例,原码表如表1所示,表中NC=-1。

    在参考模型中,搜索码表算法过程如下:
    (1)从最短码长开始,读出该长度二进制数据流对应的码字;
    (2)遍历码表,如找到该码字进行步骤(4),否则进入(3);
    (3)码字长度加1,重定位指针位置,重复步骤(2);
    (4)读取该码字对应值,更新指针位置。
    从上面过程中不难发现,码字长度的不确定性使得在读取字节流时只能一次次的试探,导致了效率的下降。如果可以将变长码的读取采取固定的策略,一次读取固定 的长度,之后再做判断,再读取一定长度,这样将判断的次数也固定,从理论上可以降低不断搜索和重定位指针带来的时间和空间复杂性。利用可以利用码表中码字 前缀零数目的不同,将表1拆分为两个子表,如表2,表3所示NC为-1。

    改进后的码表搜索算法如下:
    (1)读取最大码字长度的二进制流;
    (2)根据不同的前缀零位数、右移位、判零以确定码字所在子表;
    (3)直接根据码值读取对应值,更新指针位置。
    新的搜索过程不但避免了不确定性,而且无需遍历码表,这样可以在一定程度上提高变长解码的效率。

    按照改进的算法步骤,解码时,首先从字节流中读取8位码字,由于前缀零个数分为大于3和小于3的两种情形,所以右移5位,若为零,则查找表2,否则查找表 1,根据码值直接解码出±1个数,非零系数数目。此外在设计代码时,还可利用二叉搜索树的特性,设计搜索过程,提高解码效率.

2.2 二叉树一子表混合法
    拆分成子表后建立的数组中存在冗余现象。如当0≤N<2且Pre-Zeros<6时,一共有13个码字。为了保留原先的查表方式以TC和 Tls为矩阵下标的特点,必须要用4×7矩阵,多余位置零。由于实际搜索的对象是矩阵,怎么确定Pre-Zeros值,以保证在分块数一定的情况下,使用 的矩阵较小,成为提高搜索效率的关键。从表中可以看到,对不同的N值对应的列,子表之间的Pre-zeros的分界点选取了不同的阈值。按照表2中的分块 方法,矩阵的平均大小为4×6.5。相比JM中使用一个4×17矩阵,搜索效率理论上可以提高(17-6.5)/6.5=1.615倍(假设每张子表的使 用概率相同)。以0≤N<2的一张VLC表为例,共分成4张子表。从查找一个码字的比较次数来看。


    可知,子表法查找比较次数的理论最小值为此时要求n=s2。如果在第一个步骤(确定子表)中改为采用二分法,则这种情况下就可以对以上码表中前缀连零再细化,将相同连零个数的码字放在一起,增加子表数而减少子表中的码字结点数,可以进一步提高查找效率。
    从以上分析可见,二叉树的查找效率是最高的。因此可以将二叉树应用到子表法中,对每一张子表分别建树。对于二叉树来说,查找时间与树的深度有关。观察子表 中的码字,发现它们都有不同长度的连零作为前缀,如果直接建树将导致树的不平衡并增加了树的深度。为了解决这个问题,可以考虑在同一张子表中为每个码字去 除相同个数的连零前缀,然后建立二叉树。在解码时,先忽略这些连零个数,再进行树的查找。在最理想情况下,这种查找方法的一次查找的平均比较次数为:

   
    对第一张VLC表采用二叉树一子表法的最大比较次数:

   
    几种算法的对比与复杂度分析如表4所示。

    空间复杂度也是需要考虑的问题。JM参考实现中为Tls和TC的联合码表建立了2个3×4×17的三维数组共需要408 B的存储空间。二叉树法经过统计,一棵树共有124个结点,其中叶结点62个,其余62个结点为根结点或枝结点。建3棵二叉树所需要的空间为 (62×4+62×2)×3=1 116 B。子表法将码表分成12张子表,每张子表用2个二维数组表示,而数组的平均大小为4×6.5,则共要4×6.5×12×2=624 B。

3 结 语
    H.264是现在视频编解码领域研究的热点也是未来发展的方向,它将代替MPEG2成为主流的信源压缩标准。H.264应用领域非常广泛。将H.264的 编解码速度尽可能的提高,可以使其在更多的领域中应用,如数字电视,消费电子类产品,网络通信,可视电话等现在热门领域。在此专门对于CAVLC码表查找 给出了改进方案,通过这三种改进方案,避免了对整个码表的查找,对码表的查找在效率上有了很大提高。具有明显的实用意义.

(宋宝良 戴学丰)
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本文出处:现代电子技术 作者:宋宝良 戴学丰
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