CN100484245C - 一种变长码编解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新的变长码编解码方法，为解决现有技术中容易发生变长码序号错误的问题，本发明中，在对信源进行编码时，采用A、B两类变长码交替进行编码，在对信源进行解码时，依据编码时的规则，对编码码流进行A、B两类变长码交替解码；其交替方案可以是：每M个A类变长码后面跟N个B类变长码，每N个B类变长码后面跟M个A类变长码，其中，M和N为自然数。当其一变长码的同步位出错后，如果不采取纠正而直接进行解码，就会违反A、B类变长码应交替输出这一规则；此时可采用后验概率判断其最大错误可能，并用后验概率最大者作为解码输出，以维持A、B类变长码应交替输出这一规则，从而不会发生***或删除错误，每一个变长码的序号可保持不变。

Description

一种变长码编解码方法

技术领域

本发明涉及视频编解码技术，更具体地说，涉及一种可克服现有变长码编解码方法中容易因***错误或删除错误而引起变长码序号错误的问题的变长码编解码方法。

背景技术

信源熵压缩中，利用变长码(Variable Length Code：VLC)对数据进行压缩是最常用的方法。对于给定信源和概率分布，Huffman变长编码[Huffman D.A.，“Amethod for construction of minimum redundancy codes”，Proc.IRE，Vol 40，pp.1098-1101，Sep.1952.]可以得到最短平均码长，对信源进行有效压缩。但是Huffman码等对误码非常敏感，通常一个比特的错误会引起后续若干变长码不能正确解码，即不能正确定位变长码的起始和结束位置，因此在有噪声干扰时变长码的误码扩散相当严重，当比特误码率在10^-4时，变长码符号错误率却高达10^-2以上。

在本技术领域中，信源中要编码的对象通常被称为信源符号，如运动矢量、宏块模式等，在表1中用S1、S2、S3、S4、S5表示。而变长码符号指的是代表“信源符号”的2进制比特串，例如在表1中，对于Huffman码，代表信源符号S1的变长码符号为“00”；代表信源符号S2的变长码符号为“01”。变长码符号错误指的是变长码符号中任何一个比特错误，该符号即发生错误，由此而统计的是变长码符号错误概率，不是统计比特错误概率。针对Huffman码的缺点，现在已有许多变长码构造方案，但是对于某些应用，仍然不能满足要求。

变长码符号错误包括以下几种：

1)替代错误，当有比特错误时，变长码会发生符号替代错误，即一个变长码符号被错误地解码为另一个变长码符号；

2)删除错误，即两个或多个变长码被解码为一个变长码；

3)***错误，即一个变长码被解码为两个或多个变长码符号。

这三种错误又可分为两类：

(一)变长码的符号错误，它是指变长码中仅发生符号替代错误，变长码的序号(即任一变长码在数据流中的序号)并没有发生变化，以下称之为第一类错误。

(二)变长码的序号错误，它是由变长码的***和删除错误引起的，也就是说，因为***或删除了一个或多个变长码，会导致后续的变长码序号相应地增大或减小，以下称之为第二类错误。

发生错误时，某些变长码会同时具有第一类和第二类错误；某些变长码虽然解码正确，没有第一类错误，但由于其前面发生了***和删除错误，所以其序号会相应增大或减小，也就是会相应地发生第二类错误。

目前，针对Huffman变长码的误码扩散效应所提出的其它变长码方案，都只是降低变长码的第一类错误，例如可快速同步逗点码、反向可解变长码(Reversible VLC，经下简称RVLC)[Takishima，M.Wada，and H.Murakami，“Reversible variable lengthcodes，”IEEE Trans.Commun.，vol.43，pp.158-162，Feb./Mar./Apr.1995.]等，都只是针对性地解决变长码的第一类错误。

表1中列出了Huffman码、逗点码和RVLC的5信源符号编码示例。

表1 Huffman码、逗点码和RVLC的5信源符号编码示例

 

信源符号	信源符号概率	Huffman码	逗点码	RVLC
					S1	0.4	00	1	00
S2	0.2	10	01	11
					S3	0.2	11	001	010
S4	0.1	010	0001	101
					S5	0.1	011	00001	1001

从表1中可以看出，Huffman码具有最短平均码长，但是它容易产生误码扩散，产生变长码的第一类和第二类错误。从图1可看出，一个比特的错误，会使后续很多信源符号解码错误，并且会产生***和删除错误；图中的问号表示超出了对应码表，不能正确译码。

RVLC的特点是可以从正向和反向两个方向解码，当发现变长码解码错误的时候，可从反方向解码，从而尽可能多地恢复变长码。RVLC虽然可以反方向解码，但在两个方向的解码中，从码字本身很难确定错误究竟出在哪，如图3所示，很难确定正向和反向解码中哪个问号处的错误是真正的错误，因此很难确定哪些码字是真正正确解码的码字。实际应用中，通常只能靠编解码的实际内容来判断所解出的码字的合理性。

相比之下，逗点码具有快速同步的功能，表1中所示的只是其中的一种类型，还有其它类型的逗点码，但功能都类似。逗点码虽然克服了Huffman码的误码扩散效应，但常有***和删除错误，容易产生变长码的第二类错误。如图2所示，信源S5中的一个比特错误，使S5被解码为S2、S3，相当于发生了***错误，此时，虽然其右面的S1、S2、S3仍继续可正常解码，但它们的序号都会相应加1，也就是发生了第二类错误。

从上述内容可知，具有同步功能的变长码，如逗点码，可以有效地降低第一类错误，即变长码的符号替代错误；但是，如果产生了***和删除错误，则后续所有变长码将发生序号错误，即第二类错误，它是影响视频解码正确性的一个主要因素。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明要提供一种新的变长码编解码方法，以解决现有变长码编解码方法中容易发生第二类错误的问题，从而消除由变长码的***和删除错误所引起的变长码的序号错误。

本发明的技术方案是，提供一种变长码编解码方法，用于对信源进行编解码处理，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在对信源进行编码时，采用A、B两类变长码交替进行编码；

(2)在对信源进行解码时，依据编码时的规则，对编码码流进行A、B两类变长码交替解码。

在本发明方法的所述步骤(1)中，可按以下任一种交替方式对信源进行A、B两类变长码交替编码：

(1-1)每一个A类变长码后面的变长码只能是B类变长码，每一个B类变长码后面的变长码只能是A类变长码；

(1-2)每两个A类变长码后面跟两个B类变长码，每两个B类变长码后面跟两个A类变长码；

(1-3)每M个A类变长码后面跟N个B类变长码，每N个B类变长码后面跟M个A类变长码，其中，M和N为自然数；

在所述步骤(2)中则按与编码方式相同的交替方式进行交替解码。

根据本发明的一个优选方案，在所述A类变长码中，以“0”作为同步位，以“1”作为截止位，在任两个相邻同步位之间至少有一个信息位x，在截止位与其前面的那一个同步位之间至少有一个信息位x，所述信息位x的值可为“0”或“1”；在所述B类变长码中，以“1”作为同步位，以“01”作为截止位，在截止位之前及任一同步位之前至少有一个信息位x，在相邻两个同步位之间至少有一个信息位x，在截止位与其前面的那一个同步位之间至少有一个信息位x，所述信息位x的值可为“0”或“1”。当然，所述A、B类变长码的定义形式也可以相互调换。

本发明所述方法的步骤(1)中，在对信源进行编码时，还要对信源符号的概率进行统计，对于出现概率最大的信源符号，用最短的编码来表示；对于出现概率次大的信源符号，用相同或次最短长度的编码来表示，对于出现概率最小的信源符号，则用最长的编码来表示。

本发明所述方法的步骤(2)中，在对信源进行解码时，如果某一变长码的同步位出错，则判断变长码的最大错误可能，并用概率最大的那一种纠错方案的结果作为解码输出。

本发明所述方法的步骤(2)中，在对信源进行解码时，如果某一变长码的同步位出错，则可采用后验概率来判断变长码的最大错误可能，并用后验概率最大的那一种纠错方案的结果作为解码输出。

在本发明的编解码方案中，由误码引起的变长码错误有两种可能，一种是信息位出错，它不会影响变长码符号的同步；另一种情况是同步位出错，当同步位出错后，如果不采取纠正而直接进行解码，就会违反A、B类变长码应交替输出这一规则；此时可采用后验概率判断其最大错误可能，并用后验概率最大者作为解码输出，以维持A、B类变长码应交替输出这一规则，从而不会发生***或删除错误，每一个变长码的序号可保持不变，也就是不会发生第二类错误。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是Huffman码的误码扩散示意图；

图2是逗点码的误码扩散示意图；

图3是RVLC码的误码扩散示意图。

具体实施方式

在视频编解码方案中，如MPEG2、MPEG4、H.264等，其编码的语法单元如DCT系数、运动矢量符号等都与图像的块和宏块有严格的对应关系。所解码的变长码不但要求信源符号本身解码正确，而且要求信源符号的序号也要解码正确，这样视频解码器才能正确重建图像。

本发明提出了一种新的变长码编解码方法，此处称之为交替变长码(Alternate VLC，简称AVLC)，它通过两类变长码交替对信源进行编码。这种交替变长码不但能够快速同步以降低变长码的第一类错误，而且可以有效的克服变长码的第二类错误。具体实施时，可按以下任一种交替方式对信源进行A、B两类变长码交替编码：

(1-1)每一个A类变长码后面的变长码只能是B类变长码，每一个B类变长码后面的变长码只能是A类变长码，即ABABAB...、或BABABA...；

(1-2)每两个A类变长码后面跟两个B类变长码，每两个B类变长码后面跟两个A类变长码，即AABBAABB...、或BBAABBAA...；

(1-3)每M个A类变长码后面跟N个B类变长码，每N个B类变长码后面跟M个A类变长码，其中，M和N为自然数，例如ABBABB…、或BAABAABAA…、等；

在解码时，则按与编码方式相同的交替方式进行交替解码。

以下描述中以第一种方式为例进行说明，无论A类变长码，还是B类变长码，都是由同步位和信息位组成，其结构如表2和表3所示：

表2 A类变长码的结构               表 3B类变长码的结构

从表2和表3中可以看出，A类、B类变长码中的“x”是信息位，即使码字长度相同，但其中信息位取不同的值就成为不同的码字。例如对于A类中的0x1，当x为0时，其为001，对应于码表序号A1；当x为1时，其为011，对应码表序号A2。

A类和B类变长码构造不同的是，A类变长码中的“0”是同步位，“1”为截止位；B类变长码中的“1”是同步位，“01”为截止位；其中B类变长码的序号0不存在。从其本质来讲，A类变长码和B类变长码实际上都是逗点码，所以其本身可以有效地防止变长码的第一类错误。当然，也可将A、B类变长码的定义形式为相互调换。

两类变长码都可通过算法生成，而不需要存贮码表，其算法如下：

(1)编码算法

已知码表序号Code_number求其信息位的值Info

N＝Int[log₂(Code_number+1)]+1；

Info＝Code_number+1-2^N-1；

$\mathrm{Codeward}=\⊕{\left[\mathrm{Info}\right]}_{2N-1};$

其中，N为信息位比特长度，Int[]表示去除尾数取整，Info表示信息位的值，Codeward为码字，即所得到的2进制变长码符号，

表示把“Info”以二进制表示的信息位，按表2或表3的变长码结构组成A类或B类变长码。

(2)解码算法

已知信息位的值Info及信息位比特长度N，求码表序号Code_number

Code_number＝2^N+Info-1；

信源编码中，根据信源符号的统计概率，出现最大概率的信源符号用最短码来表示，并用这一原则来分配码表；如果前一个信源符号用了A类码表编码，则紧接着的一个信源符号就应该用B类码表编码，然后再使用A类码表，再使用B类码表，依此类推，A、B两类变长码交替出现。

如出现以下的编码结果，…A₀B₁A₃B₂A₅B₄…对应的码字序列为…1 00100001 101 01001 01101…，(其中，A、B的每一个下标对应表2和表3中的一个相应的码表序号)。

信源解码中，依据编码时的规则，对编码码流进行A、B两类变长码交替解码。信源解码按照A类和B类变长码交替解码输出。为了有效发现同步错误，可以限定禁止使用A、B类码表中的最短长度，这样其发现同步错误的能力就显著提高。例如对于A类变长码，A₀不参与编码，最短码长从A₁开始编码；对于B类变长码，B₁和B₂不参与编码，最短码长从B₃开始编码。这种做法是牺牲编码效率换取抗误码能力。

本发明的编解码方案中，由误码引起的变长码错误有两种可能，一种是信息位出错，它不会影响变长码符号的同步；另一种情况是同步位出错，同步位出错后，在解码中会发现有违反AVLC交替输出两类变长码的规则的情况，或有小于最短变长码码长的变长码的情况。在同步位出错的情况下，可采用最大后验概率判断其最大错误可能，并纠正其错误。

下面通过例子说明如何纠正违反AVLC交替输出规则的错误：

发生信道误码后，原来发送的码字(…，SA1，SB1，…)，在信源解码后变为(…，SA2，X，SB1…)，X无论判断为A类码或B类码，都违反了A、B两类码字交替输出的要求，因此可以判定它是前一个A类码的一部分或后一个B类码的一部分。如果将X与SB1码字合并，并判为SB2码字，则认为SB2码字在传输过程中连续发生了2个同步码字错误。而如果判定X是前一个A类码的一部分，则认为在传输过程中，只发生了一个同步码字的错误。显然将X判断为前一个A类码的一部分的概率较判断为后一个B类码的一部分的概率正确性高。

例如，当信道误码率为10^-3时，解码纠错方法一情况发生的概率是P₁＝(1-10^-3)×(10^-3)²；解码纠错方法二情况发生的概率是P₂＝(1-10^-3)²×(10^-3)。可见，P₂比P₁约大1000倍(由于两种解码算法中，只有3个比特在变化，所以上面的概率只考虑3个比特)。按最大后验概率解码这一原则，应选择SA3、SB1输出，也就是说，原来发送的码字(…，SA1，SB1，…)变为(…，SA3，SB1，…)。从中可以看出，交替变长码的交替编码方式及其码字的结构，可以有效的发现和纠正错误，不但使变长码符号同步，而且可以纠正同步位的比特错误。

如果从解调器可以得到信号输出值的软信息，即输出信息序列，则可以得到更精确的后验概率信息，设信号为BPSK调制，调制器的输出信息序列R＝[r₁r₂r₃…r_n]，r_j∈(-∞，+∞)，判断输出信息序列S_i＝[s_i1 s_i2 s_i3…s_in]，s_ij∈[-1，+1]。则

$P\left(S_i\right|R)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}P\left(s_{\mathrm{ij}}\right|r_j)$

$\frac{P\left(S_i\right|R)}{P\left(S_k\right|R)}=e^{-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}[\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(s_{\mathrm{ij}}-r_j)}^2\right)-\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(s_{\mathrm{kj}}-r_j)}^2\right)]}$

通过输出信息序列的概率比较，可以更准确的判断哪种组合正确。

在BPSK(Binary phase shift keying，二进制相移键控)调制方式下，“1”表示“0”；“—1”表示“1”。设发送的信息序列是S_i＝[s_i1 s_i2 s_i3…s_in]，s_ij∈[-1，+1](由于对发送的信息序列可能有几种估计，所以用下标i来表示)，通过加性高斯白噪声(σ表示噪声的方差)信道，接收到的信号为R＝[r₁r₂r₃…r_n]，r_j∈(-∞，+∞)。P(s_ij|r_j)表示对于收到信号为r_j时，判断为s_ij的概率，它是高斯分布。我们可以近似把发送序列和接收序列中的信号看成独立事件，得 $P\left(S_i\right|R)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}P\left(s_{\mathrm{ij}}\right|r_j),$ 它就是后验概率，表示收到序列R后，判断为S_i序列的概率。

其中的R为输出信息序列，r₁、r₂、r₃…r_n为R中信息位，S_i为判断输出信息序列，s_ij为接收信息为r_j时的判断输出信息位，σ为噪声的方差，P(s_ij|r_j)为对于接收信息为r_j时判断为s_ij的概率，P(S_i|R)为收到序列R后，判断为S_i序列的概率。

Claims (7)

1、一种变长码编解码方法，用于对信源进行编解码处理，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在对信源进行编码时，采用A、B两类变长码交替进行编码；

其中在所述A类变长码中，以“0”作为同步位，以“1”作为截止位，在任两个相邻同步位之间至少有一个信息位x，在截止位与其前面的那一个同步位之间至少有一个信息位x，所述信息位x的值为“0”或“1”；

在所述B类变长码中，以“1”作为同步位，以“01”作为截止位，在截止位之前及任一同步位之前至少有一个信息位x，在相邻两个同步位之间至少有一个信息位x，在截止位与其前面的那一个同步位之间至少有一个信息位x，所述信息位x的值为“0”或“1”；

或者是将所述A类变长码与B类变长码的定义形式相互调换；

(2)在对信源进行解码时，依据编码时的规则，对编码码流进行A、B两类变长码交替解码。

2、根据权利要求1所述的变长码编解码方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，按以下任一种交替方式对信源进行A、B两类变长码交替编码：

(1-1)每一个A类变长码后面的变长码只能是B类变长码，每一个B类变长码后面的变长码只能是A类变长码；

(1-2)每两个A类变长码后面跟两个B类变长码，每两个B类变长码后面跟两个A类变长码；

(1-3)每M个A类变长码后面跟N个B类变长码，每N个B类变长码后面跟M个A类变长码，其中，M和N为自然数。

3、根据权利要求2所述的变长码编解码方法，其特征在于，针对每一个变长码，按下面的方式求其信息位的值：

N＝Int[log₂(Code_number+1)]+1，

Info＝Code_number+1-2^N-1，

$\mathrm{Codeward}=\⊕{\left[\mathrm{Info}\right]}_{2N-1},$

其中，N为信息位比特长度，Int[]表示去除尾数取整，Info表示信息位的值，Codeward为码字，即所得到的2进制变长码符号，表示把“Info”以二进制表示的信息位；

在解码时，根据信息位的值及信息位比特长度N，按下面的方式求码表序号：Code_number＝2^N+Info-1。

4、根据权利要求1-3中任一项所述的变长码编解码方法，其特征在于，所述步骤(1)中在对信源进行编码时，还要对信源符号的概率进行统计，对于出现概率最大的信源符号，用最短的编码来表示；对于出现概率次大的信源符号，用最短的编码或次最短长度的编码来表示；对于出现概率最小的信源符号，则用最长的编码来表示。

5、根据权利要求4所述的变长码编解码方法，其特征在于，所述步骤(2)中在对信源进行解码时，如果某一变长码的同步位出错，则判断变长码的最大错误可能，并用概率最大的那一种纠错方案的结果作为解码输出。

6、根据权利要求4所述的变长码编解码方法，其特征在于，所述步骤(2)中在对信源进行解码时，如果某一变长码的同步位出错，则采用后验概率来判断变长码的最大错误可能，并用后验概率最大的那一种纠错方案的结果作为解码输出。

7、根据权利要求6所述的变长码编解码方法，其特征在于，所述步骤(2)中在对信源进行解码时，通过以下方法得到后验概率信息，设信号为BPSK调制，调制器的输出信息序列R＝[r₁r₂r₃…r_n]，r_j∈(-∞，+∞)，判断输出信息序列S_i＝[s_i1 s_i2 s_i3…s_in]，s_ij∈[-1，+1]，则后验概率

$P\left(S_i\right|R)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}P\left(s_{\mathrm{ij}}\right|r_j)$

$\frac{P\left(S_i\right|R)}{P\left(S_k\right|R)}=e^{-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}[\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(s_{\mathrm{ij}}-r_j)}^2\right)-\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(s_{\mathrm{kj}}-r_j)}^2\right)]}$

其中的R为输出信息序列，r₁、r₂、r₃…r_n为R中信息位，S_i为判断输出信息序列，s_ij为接收信息为r_j时的判断输出信息位，σ为噪声的方差，P(s_ij|r_j)为对于接收信息为r_j时判断为s_ij的概率，P(S_i|R)为收到序列R后，判断为S_i序列的概率。

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