关键字 |
| 二进制算术编码，m编码器，H.264/AVC。 |
介绍 |
| 算术编码在过去的几年中引起了越来越多的关注。它是一种有效的编码方式，是所有图像视频压缩标准如JPEG[1]、JPEG-2000[2]和H.264/AVC[3]、HEVC[4]、Dirac[5]中非常重要的算法之一。该算法既是一种无损数据压缩方法，又是一种熵编码方法。这些标准中使用的算术编码器是无乘法的自适应二进制算术编码器，具有位重整和用于乘法逼近和概率估计的查找表。 |
| 算术编码的基本思想是使用单个浮点数而不是输入符号字符串，这样可以获得更有效的压缩。该方法将编码信息表示为0 ?.间隔小于较长的信息，表示较长的信息需要更多的二进制数。 |
| 作为所有这些应用程序的共同需求，需要一种快速高效的二进制算术编码方案。然而，算法编码在硬件和软件上的高效实现不仅要求图像和视频编码的应用领域，而且在数据压缩方案中也需要高吞吐量的算法编码 |
| 最高效的ABAC是m编码器[7]，它是H.264/AVC中使用的上下文自适应二进制算术编码(CABAC)[9]的核心。由于M-coder是两种压缩方案中熵编码的关键组成部分，因此如何实现内存占用更小、计算复杂度更低、压缩效率更高的ABAC仍然是一个重要的挑战。 |
相关工作 |
| 算术编码是一种用于无损数据压缩的熵的形式。通常情况下，像单词“hello there”这样的字符串使用每个字符的固定位数表示，如代码中所示。当字符串转换为算术编码时，经常使用的字符将以更少的位存储，而不太经常出现的字符将以更多的位存储，从而导致使用的总位数更少。算术编码与其他形式的熵编码不同，例如，算术编码不是将输入分离为组成符号并用代码替换每个符号，而是将整个消息编码为单个数字，一个分数n，其中(0.0≤n < 1.0)。 |
| 大多数压缩系统的共同之处在于，最后的过程都是熵编码，即以最紧凑的形式表示信息的过程。它可能负责做大部分的压缩工作，也可能只是补充之前阶段所完成的工作。当我们考虑所有不同的熵编码方法，以及它们在压缩应用中的可能应用时，算术编码在优雅、有效性和通用性方面脱颖而出，因为它能够在最大数量的情况和目的下最有效地工作。 |
| 算术编码不同于其他编码方法，对于其他编码方法，我们知道编码符号和写入文件的实际位之间的确切关系。它每次编码一个数据符号，并为每个符号分配一个实数位。 |
| 压缩数据序列的码值v是具有与序列符号相等的分数位数的实数。我们可以将序列转换为代码值，只需在编码序列的开头添加“0.”，然后将结果解释为以D为基数表示法的数字，其中D是编码序列字母表中的符号数。例如，如果一种编码方法生成了位0011000101100的序列，那么我们有 |
| 代码序列d = [0011000101100] |
| 码值v = 0: 00110001011002 = 0.19287109375 |
论文的主要贡献 |
| 在本文中，我们提出了一种高效的自适应二进制算术编码器，它不需要乘法和查找表。该算法是基于虚拟滑动窗口(VSW)的ABAC算法的改进。它还允许根据相应二进制源的统计属性分配特定的窗口长度。因此，与最先进的m -编码器相比，它更快，而且不需要查找表。进一步提高了压缩效率。 |
该方法 |
A.免乘法实现: |
| 概率估计可以通过状态机方法实现。每个状态对应一个概率值。状态到状态的转换由输入符号的值定义。这种方法不需要乘法或除法进行概率计算。除此之外，固定的状态集允许实现算术编码器的区间除法部分，而不需要乘法[6]。 |
| 例如，让我们考虑在H.264/AVC标准的最先进的m -编码器中基于状态机的概率估计。在M-coder中，[7]输入符号分为两种类型:最可能符号(MPS)和最不可能符号(LPS)。状态机包含64个状态。东状态定义了最小可能符号的概率估计。概率值集合{?p0,p?1，?p2......?p63}。 |
| 为了去除乘法，M-coder使用它的近似。在重正化过程之后，寄存器R满足以下不等式: |
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| 由(1)可知，乘法可以用下列方式近似表示 |
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B.查找表实现: |
| 提出了基于虚拟滑动窗口的概率估计方法 |
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| 与m -编码器相比，由于分配了根据相应二进制源[10]的统计特性选择的特定虚拟滑动窗口长度，并且在算术编码器的区间除法部分使用乘法代替其近似，从而提供了更好的压缩效率。然而，使用这些乘法并不是有效的;特别是对于硬件实现。 |
| 该方法采用基于虚拟滑动窗口(VSW)的无查表方法求解。作为算术编码器的替代方案，范围编码器使用字节作为输出位流元素，并一次执行字节重规整。结果表明，自适应二进制范围编码器可以降低计算复杂度。提出了新的CABAC体系结构。这种架构减少了50%的内存需求，代价是高达0.02%的编码损失。 |
提出了自适应二进制算术编码器 |
| 为了消除乘法操作，我们使用与上面描述的类似的推理。方程两边同时乘以α2b-1: |
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| 考虑式(1)、式(2) |
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| 所提出的编码器可以通过使用条件操作和加法操作来实现 |
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| 由上式(6)，(7)提出了一种利用条件运算和加法运算的自适应二进制算术编码。 |
仿真结果 |
| 在H.264/AVC视频编码标准的参考软件JM编解码器中嵌入了所提出的自适应二进制算术编码器，用于实际实验。压缩结果得到了测试视频序列“行人区域”的标准的主要轮廓。表1给出了不同量化参数下m码编码器的比特率节省百分比。对于两个编码器，L和R都是10位寄存器(b = 10)。 |
| 结果表明，所提出的自适应二进制算术编码器可以提高H.264/AVC视频编码标准在固定视觉质量下的压缩比。同时，它的编码时间比Mcoder短。 |
结论 |
| 提出了一种快速高效的二进制算术编码新算法。与M-coder相比，它速度更快，压缩效率更高，计算复杂度更低，不需要查找表。考虑到这些因素，所提出的编码器是基于VSW的ABAC的一种改进。由于使用不同的窗口大小w，该编码器还可以实现自适应速度和概率估计精度之间的权衡。实验结果表明，与最先进的m -编码器相比，我们提出的编码器在压缩性能和速度方面都具有优势。因此，所提出的ABAC可以更可取的未来的图像和视频编码标准和非标准化编解码器。 |
表格一览 |
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| 表1 |
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数字一览 |
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参考文献 |
- E. Belyaev, M. Gilmutdinov和A. Turlikov，“基于虚拟的自适应概率估计的二进制算术编码系统
- D.arpe, H. Schwarz和T. Wiegand，“H.264/AVC视频压缩标准中基于上下文的自适应二进制算术编码”，IEEE Trans。电路系统。视频抛光工艺。，vol. 13, no. 7, pp. 620–636, Jul. 2003.
- V. Sze和M. Budagavi，“高效视频编码(HEVC)标准概述”，IEEE Trans。电路系统。视频抛光工艺。，vol. 22, no. 12, pp. 1649–1668, Dec. 2012.
- T. Nguyen, H. Schwarz, H. Kirchhoffer, D. Marpe和T. Wiegand，“视频压缩中编码量化变换系数的改进上下文建模”，在Proc.图片编码符号。, 2010年。
- H. Eeckhaut, B. Schrauwen, M. Christiaens和J. Van Campenhout，“调优m -编码器以改进狄拉克的熵编码”，WSEAS Trans。正,科学。众多的。，pp. 1563–1571, 2005.
- W.Pennebaker J.Mitchel, G。兰登和R.Arps，“q-coder自适应二进制算术编码器的基本原理概述”，IBM J.Res。发展。，vol. 32, pp. 717–726, 1988.
- D. Marpe和T. Wiegand，“一种高效的无乘法的二元算术编码器及其在视频编码中的应用”，在Proc. IEEEInt中。Conf.镜像进程。， 2003, pp. 263-266。
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