視訊壓縮標準概述.1.6 非失真壓縮編碼

1.6 非失真壓縮編碼

經由離散餘弦轉換轉換後的能量會集中在幾個低頻係數的數值上，在經量化後，此時只要儲存低頻的係數即可，故於矩陣儲存的順序必須經過調整，如上圖為MPEG-2的鋸齒狀掃描順序，如此可以確保儲存的串列中，後方有一連串的零，增加後續非失真壓縮編碼的壓縮率。

圖6.14 MPEG-2的鋸齒狀掃描順序

對係數值而言，我們對一個畫面中所有的係數值做predictive coding，而後做熵編碼(entropy coding)，熵編碼是指非失真壓縮編碼的意思，如Huffman 或Arithmetic coding 等，Entropy encoding包含Variable-length Coding與Run-Level Encoding。對Arithmetic coding值而言，由於各block 中會有很多零值連在一起，此時若先做run-length coding 再加下entropy coding 會更為有利。一般做法為，對Arithmetic coding中每個非零係數做(run, level)的配對表示，其中level 表示此非零係數值的位階，run 則是目前非零係數與上一個非零係數間的零的個數。

表6.2 Run-level Encoding

Run-Level Encoding – 輸入陣列: 16,0,0,-3,5,6,0,0,0,0,-7 – 輸出值 (run,level): (0,16),(2,-3),(0,5),(0,6),(4,-7) level 表示此非零係數值的位階，run 則是目前非零係數與上一個非零係數間的零的個數。

最後經由 VLC (variable length coding) 方式如霍夫曼或Arithmetic coding 等。編碼後與動態向量複合產生視訊壓縮編碼。

霍夫曼編碼法（Huffman Coding）是霍夫曼在1952年所提出的一種無失真壓縮技術，其原理是將欲壓縮之字串，先讀一遍，將字串中的每一相異單字元（Single Character）的出現頻率，做成統計，依此建構霍夫曼樹（Huffman’s Tree）。每一相異單字元，用0與1予以編碼，出現次數逾多者，給予較少的位元編碼，由於每個位元的編碼長度不是固定8個bit，故這種編法方式，稱做變動長度編碼，最後將這些位元串組合起來，並加上Huffman’s tree ，就成為壓縮檔案。Huffman編碼法為依資訊源符號出現機率，在對資訊源符號逐一編碼條件下(The symbols be coded one at a time)，最佳之編碼方法。

但在實際上不會對每次壓縮重建霍夫曼樹，因為在計算過程中，不同字元出現的機率呈現高度正相關，而建立霍夫曼樹能須花費計算時間，故使用預先計算以霍夫曼為基礎的編碼法(Pre-calculated Huffman-based Coding)，假設每次計算霍夫曼樹皆同，使用查表方式直接轉碼。如下圖為MPEG2標準的變動長度編碼表格，我們首先查表查出(run,level)的編碼，後面再跟上該非零編碼。

圖6.15 MPEG2標準的變動長度編碼表格

位元率控制決定了DCT 係數量化過程的粗糙程度。輸出緩衝器平滑了資料流程的輸出，提供了對量化器的控制，來限制資料速率或將其保持在一定水平。一般說來，VBR(variable bit rate)對於提供穩定的影像品量是個更好的選擇。任何情況下，固定的資料速率都只是個概念而已，在過程中給定的掃描線之間，在給定的畫面與畫面之間，資料是變化的，DCT 係數在變化，熵編碼也在變化。

圖6.16 動態向量也是使用變動長度編碼來進一步壓縮

大致上來說，解碼程序恰為編碼的反向。也就是說先經由Huffman/Arithmetic decode 後，做反向量化、IDCT、動態評估、動態預測而得到重建後的序列。