[发明专利]MQ算术编码器

说明书

技术领域

本发明涉及数字图像及视频处理领域，涉及算术编码器结构，可用于超大规模集成电路VLSI设计。

背景技术

随着科技的发展，CCD相机的分辨率越来越高，采样速度越来越快，由此带来了海量的数据量，给信息的存储和传输造成了很大的困难，成为阻碍人们获取和使用有效信息的瓶颈之一。高效的图像视频编码技术无疑是解决这个问题的一个有效途径。在图像压缩方面，国际上出现了JPEG、JPEG_LS、JPEG2000等图像编码标准，其中JPEG2000是最新的图像压缩标准，可以得到高保真的图像质量，也具有很好的鲁棒性，能够支持感兴趣区域编码以及嵌入式编码，成为当今人们研究的一个热点之一；在视频编码方面，出现了MPEG-x和H.26x两大系列为主的视频编码标准，这些标准都能够在保持主观质量的条件下，对视频信息进行高效的压缩，从而极大的降低存储空间和带宽要求。

不管是图像编码还是视频编码，熵编码技术都是一个重要组成部分。它可以有效的去除压缩比特流中的统计冗余，进一步提高视频的压缩效率。传统的熵编码技术模块主要是基于霍夫曼(Huffman)理论，存在以下不足：1)码字只能用整数位比特表示；2)编码所使用的概率模型是固定的，而实际码流的概率统计特性并非固定不变的。算术编码器可以很好的解决这个问题，它突破了Huffman只能按整数比特逼近信源熵的限制，而且可以根据上下文信息对概率模型不断的更新，从而得到了比变长码更好的编码效果。据统计，基于上下文的算术编码比通用变长码的编码效率提高10％-20％，但计算复杂度要增加20％-30％。

近年来，自适应二进制算术编码有了新的发展，其改进主要集中在“自适应概率估计模型”和“定长区间归一化”的优化以及算法复杂度的降低等方面，MQ算术编码器是JPEG2000标准所采用的另一种改进的Q编码器，也被JPIG2标准所采用。MQ算术编码器采用了无乘法的近似和位缓冲的策略，增加了条件交换和概率估计状态机中的贝叶斯学习过程，效率上得到了进一步提升。MQ算术编码器是JPEG2000中所使用的一种自适应算术编码器，各种文献中都直接称“MQ算术编码器”

C.J.Lian等人在文章“Analysis and Architecture Design of Block Coding Engine for EBCOT in JPEG2000”IEEE Trans on Circuits and Systems for Video Technology，2003，pp.219-230，提出了一种流水线结构来实现算术编码，但归一化过程可能需要花费几个时钟周期，导致流水线的延时。杨海东等人在2006年华中科技大学硕士论文“MQ算术编码器的IP软核设计”一文中设计了一种流水线的MQ算术编码器，但归一化过程以及码流输出过程结构不够合理，造成关键路径太长，编码速度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术中存在的缺陷和不足，提供一种高性能MQ算术编码器，通过合理的结构划分和流水线技术提高编码速度。

本发明的高性能MQ算术编码器，至少包括：

概率查找及更新模块，输入待编码的二进制数据、待编码数据上下文信息、输入数据有效标志信号以及寄存器更新模块反馈的编码状态区间寄存器的值，用于输出待编码数据的概率估计值、待编码数据与高概率符号相同标志、以及输出有效标志信号；

寄存器更新模块，与概率查找及更新模块相连接，接收概率查找及更新模块输出的待编码数据的概率估计值、待编码数据与高概率符号相同标志、以及有效标志信号和编码结束信号，对寄存器更新模块中的编码状态下限寄存器和编码状态区间寄存器进行更新，用于得到待编码数据的码流、码流长度以及有效标志信号，同时将编码状态区间寄存器的值反馈到概率查找及更新模块；

码流拼合与输出模块与寄存器更新模块相连接，接收寄存器更新模块输出的待编码数据的码流、码流长度以及有效标志信号，使用码流拼合与输出模块中的首字节进位缓冲寄存器对输入的码流进行拼合，用于输出码流及输出码流有效标志信号。

本发明用以解决现有二进制算术编码器编码速度不高和结构复杂的问题。寄存器更新模块使用首1探测的方式一次完成编码状态区间寄存器的归一化，同时输出码流以其长度；码流拼合与输出模块采用了一种“首字节进位缓冲寄存器”实现了码流的“位填充”。本发明结构划分清晰，资源使用少，编码速度快，可广泛应用于JPEG2000图像编码及其它实时编码场合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：