（九）用JAVA编写MP3解码器——哈夫曼解码

解码一帧Layer3第3步：哈夫曼解码 -- huffmanDecoder方法

 

　　1.哈夫曼码表　共有33张码表，从ISO/IEC 11172-3复制一张码表出来，看看码表的庐山真面目，下面说到的哈夫曼树的构造及解码过程都以这一张表为例。码表如下所示：

Huffman code table 6
x y hlen hcod No.
0 0 3 111 0
0 1 3 011 1
0 2 5 00101 2
0 3 7 0000001 3
1 0 3 110 4
1 1 2 10 5
1 2 4 0011 6
1 3 5 00010 7
2 0 4 0101 8
2 1 4 0100 9
2 2 5 00100 10
2 3 6 000001 11
3 0 6 000011 12
3 1 5 00011 13
3 2 6 000010 14
3 3 7 0000000 15

　　码表的每一行由4个元素x、y、hlen、hcod组成，其最后一列是为了后文描述问题方便，我加上去的。解码大值区，一个码字(hcod)解码得到x、y两个值，hlen是码字的长度。33张码表中这几个值的取值范围是：x=0..15，y=0..15，hlen=0..19。其实33张码表只有象“Huffman code table 6”这样的表15张，码表有“共用”的情况，但是“共用”码表的linbits不同，看一看HuffmanBits的构造方法就明白这一点了。

 

　　2.哈夫曼树　哈夫曼解码用位流索引查表法，无论你采用何种数据结构存储码表，码表在逻辑是仍然是树形结构。

　　(1).2叉树　可以构造一棵2叉树装入这张码表，从位流中读入一位，根据是0还是1确定指向左子树还是右子树，直至到达叶结点，叶结点保存x、y，这样就可以由位流解得一个码字的2个码值的x和y了。

　　(2).N叉树　采用2叉树这种数据结构一次只能从位流处理1位，效率比较低。如果一次处理位流中的n位，采用N(N=2^n)叉树这种数据结构。以一次处理2位的4叉树为例，上面的码表“Huffman code table 6”构造出的4叉树如下：

• 图中每一个２行４列的表格表示４叉树的的一个结点；
• 每个结点的第一行中的数字0..15表示码表“Huffman code table 6”中的序号，例如15表示NO.15这一行，存储4叉树的时候，编号0..15的域(图中的1格)存储码表的x、y、hlen，根据其取值范围，存储x和y各需4比特，存储hlen需5比特，所以这3个值可以存储在一个short类型的整数内；
• 每个结点第1行的p1..p7表示该结点不是叶结点，该结点的这个域存储的是指向下一个结点的“指针”，JAVA没有指针类型，这个4叉树采用数组来存储，用p1..p7存储数组下标，这个下标值同样用 一个 short类型的整数值表示 ；
• 存储4叉树用short类型的数组，其数组元素既有“指针”也有叶结点中某个域的值，用正、负号来区分它们。
• 每个结点第2行的00、01、10、11表示一个结点内“子树”的编号。2叉树用左子树、右子树描述其子孙；4叉树用00子树、01子树...去描述。
• 如果hlen为奇数，需要在末尾分别补上0和1凑成偶数。例如No.4这一行，hlen=3，hcod=110，要补成1100和1101，这两个二进制串都表示No.4这一行。这就是说，采用N叉树会使存储表冗余，n越大冗余度越大。
  
• 4叉树示意图举例：No.3这一行hcod=0000001，按长度2将hcod分为00、00、00、10(或11)共4部分，分别对应图中4个结点的p1、p4、p7、3这4个域。No.3这一行的hlen=7，为奇数，同样要补成偶数，所以图中有一个结点的两个域都是“3”。
• 遍历如图所示的4叉将结点的各个域存储到一个short类型的数组内，就存储好这张码表了。可以用任意一种方式遍历，先根次序、后根次序、层次遍历都可以。上图“Huffman code table 6”的4叉树存储在数组中为：

private final static short htbv6[] = {	//32
	-4, -24, 529, -28,  -8, -16, -20,1042, -12,1571,1586,1584,1843,1843,1795,1795,
	1299,1299,1329,1329,1314,1314,1282,1282,1057,1056, 769, 769, 784, 784, 768, 768};

htbv6被初始化到解码用的码表htBV[6]，见下文给出的源代码 HuffmanBits.java的第52行，这一行中的0表示该码表的linbits=0。

 

　　3.哈夫曼解码　 下文给出的源代码 HuffmanBits.java的第135行是选择码表，假设当前选中的是 htBV[6]，即htCur= htBV[6]，htCur.table=htbv6：

• 136行取得linbits，对htCur而言linbits=0；
• 138行刷新intMask，从位流中读入32位存储在intMask中，intMask的高几位为某一hcod，假如intMask=00010xxx　xxxxxxxx 　xxxxxxxx 　xxxxxxxx ，这里的x可能为0，也可能为1；
• 139行用iTmp暂存intMask的值；
• 140行iTmp>>>30表示取iTmp的高2位(00)，y=htbv6[0]=-4， y<0表示示该值是一个“指针”，其绝对值表示在htbv6[]中的下标 ；
• 141行，y<0进入while循环，这个while循环就是查表的过程。
• 第1次循环：142行iTmp <<= 2表示iTmp最高2位被移去，iTmp变为010xxxxx　xxxxxxxx　xxxxxxxx　xxxxxxxx；143行iTmp >>> 30表示取iTmp最高2位(01)，此时y=htbv6[1-(-4)]=htbv[5]=-16，y<0继续执行循环；
• 第2次循环：142行iTmp 最高2位被移去，iTmp变为0xxxxxxx　xxxxxxxx　xxxxxxxx　xxxxxxxx；143行 取iTmp最高2位，可能为00，也可能为01：
  • 假如为00，y=htbv6[0-(-16)]=htbv[16]=1299，y>0结束循环；
  • 假如为01，y=htbv6[1-(-16)]=htbv[17]=1299，y>0结束循环；
• 145行y>>8将y的16..23位被移到低字节，这一字节存储的是hlen，x=1299>>8=5；
• 146行intBitNum表示intMask剩余的比特数，本次解码用去5位，执行intBitNum-=5，表示要从intMask取走5位;
• 147行，将intMask的最高5位移出；
• y的低字节存储的是码表中的x和y，各4位；149行(y >> 4) & 0xf表示取y最低字节的高4位，所以x=(1299>>4) & 0xf=1;
• 150行 表示取y最低字节的低4位，所以y=1299 & 0xf=3;
• 此时已经解得码表中的No.7这一行：x=1，y=3，用去5比特；
• 152行是对x进一步处理。如果当前选择的某一码表解得的x=15并且码表的linbits>0，需要从位流中读入linbits得到一个整数值与x相加；
• 159行intMask<0意思是intMask的最高位为1，这一位表示x的符号位，若为1表示解得的x是一负数，反之表示解得的x为正数；
• 160行将解得的x保存到intHuffValue[]；
• 168--182行对y进一步处理，同对x进一步处理的过程一样；
  

 

　　主信息的第二部分内容是以哈夫曼编码的主数据（main_data）。MP3编码器在将PCM编码过程中先是用有损压缩使数据长度大大缩短，然后用哈夫曼编码这种无损压缩方式进一步减小数据流长度。每个粒度组内的频谱值使用不同的哈夫曼码表编码，全频率段从0到奈奎斯特频率(Nyquist frequency，等于采样率的二分之一)被划分为几个按不同码表编码的区段，区段是根据最大量化值来划分的。对高频率低幅值的信号不编码，即被压缩掉了。为了提高编码过程中哈夫曼编码效率，主数据被划分为三部分：大值区、小值区、零值区。示意图如下：

大值区 一个码字(hcod)解码得到两个值，码表的成员变量linbits的值为0..13，如果linbits不为0并且x(或y)=15，还需要从位流中读入linbits位得到一个整数值与x(或y)相加，可以计算出解码大值区得到的最大值(绝对值)为15+(2^13-1)=8206。解码大值区最多可能用到三张不同的码表。怎么知道当前的码流该用哪一张码表呢？GRInfo内定义了两个成员变量：region1Start和region2Start，它表示一张码表解码得到的值的个数，解得指定个数的值之后更换另一张码表。该更换到哪一张码表呢？解码帧边信息时已经初始化了GRInfo的成员变量table_select，当前可能用到的码表(最多3张)编号就存储在其中。

　　 region1Start和region2Start 这两个变量在 Layer3的huffmanDecoder方法内被初始化，根据MPEG的版本（1.0/2.0/2.5）和“块”的类型初始化为不同的值。不同的块，子带的宽度不同。块和子带这些概念在后文再作交待。

　　供解码大值区使用的共有31张码表，其中第0张表hlen=0（其实不会被使用吧），第4、14码表不用。大值区中的一个码字（hcod）解得两个值，由帧边信息结构中的big_values可以计算出解码出大值区得到的值的个数 。

 

小值区 又称为count1区 ，解码得到的值为0，1或-1，整个小值区解码只用一张码表。供解码小值区使用的共有两张码表。小值区中的一个码字解得4个值。

 

零值区 未编码，所以不用解码，直接置为缺省值0。

 

位流中一帧主数据的末尾可能填充了几位而使之凑足一个字节，解码时对填充位作舍弃处理。调试程序时发现有填充位超过一字节的情况。

 

class Layer3内的huffmanDecoder方法源码如下：

//3.
	//>>>>HUFFMAN BITS=========================================================
	/*
	 * nozero_index[]: 调用objHuffBits.decode()方法赋值;在Requantizer()方法内被修正;
	 * 在hybird方法内使用.
	 */
	private static int[] rzero_index = new int[2];
	private static int[] is;	//[32 * 18 + 4];
	private static HuffmanBits objHuffBits;

	private void huffmanDecoder(final int ch, final int gr) {
		GRInfo s = objSI.ch[ch].gr[gr];
		int r1, r2;

		if (s.window_switching_flag != 0) {
			int v = objHeader.getVersion();
			if(v == Header.MPEG1 || (v == Header.MPEG2 && s.block_type == 2)){
				s.region1Start = 36;
				s.region2Start = 576;
			} else {
				if(v == Header.MPEG25) {
					if(s.block_type == 2 && s.mixed_block_flag == 0)
						s.region1Start = intSfbIdxLong[6];
					else
						s.region1Start = intSfbIdxLong[8];
					s.region2Start = 576;
				} else {
					s.region1Start = 54;
					s.region2Start = 576;
				}
			}
		} else {
			r1 = s.region0_count + 1;
			r2 = r1 + s.region1_count + 1;
			if (r2 > intSfbIdxLong.length - 1) {
				r2 = intSfbIdxLong.length - 1;
			}
			s.region1Start = intSfbIdxLong[r1];
			s.region2Start = intSfbIdxLong[r2];
		}

		rzero_index[ch] = objHuffBits.decode(ch, s, is);  // 哈夫曼解码
	}
	//<<<<HUFFMAN BITS=========================================================

 

实例化class HuffmanBits类型变量objHuffBits，用语句objHuffBits.decode()调用HuffmanBits的decode方法就完成了解码一个粒度组中的一个声道的哈夫曼解码。解码输出的结果暂存到is[]供下一步使用。

 

进一步了解哈夫曼解码细节 哈夫曼解码是MP3的关键模块之一，对解码器的效率（速度和内存开销）有较大影响。怎样设计出高效的哈夫曼解码器，至今仍有不少人在探索。我的哈夫曼解码方法只是一个尝试。我的另一篇贴子《MP3解码之哈夫曼解码快速算法》也是讲哈夫曼解码的，网址：

论坛：http://www.iteye.com/topic/737963

博客：http://lfp001.iteye.com/blog/737850

 

 

HuffmanBits.java源码如下：

/*
* HuffmanBits.java -- MPEG 1.0/2.0/2.5 Audio Layer I/II/III 哈夫曼解码
*
* This program is free software: you can redistribute it and/or modify
* it under the terms of the GNU General Public License as published by
* the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
* (at your option) any later version.
*
* This program is distributed in the hope that it will be useful,
* but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
* MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
* GNU General Public License for more details.
*
* You should have received a copy of the GNU General Public License
* along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
*/
package decoder;
import decoder.Layer3.GRInfo;

public final class HuffmanBits {
	private final class HuffTab {
		public int linbits;
		public short[] table;
		public HuffTab(int l, short[] t) {
			this.linbits = l;
			this.table = t;
		}
	}

	/*
	 * intMask: 暂存位流缓冲区不超过32比特数据,位流2级缓冲
	 * intBitNum: intMask剩余的比特数
	 * intPart2Remain: 哈夫曼编码的主数据剩余的比特数
	 * intRegion[]: 大值区某一码表解码主数据的区域
	 */
	private int intBitNum, intMask, intPart2Remain;
	private static final int[] intRegion = new int[3];

	private BitStream bsMainData;
	private static final HuffTab[] htBV = new HuffTab[32];
	private static final HuffTab[] htCount1 = new HuffTab[2];

	public HuffmanBits(BitStream objBS) {
		this.bsMainData = objBS;

		htBV[0] = new HuffTab(0, htbv0);	//hlen=0
		htBV[1] = new HuffTab(0, htbv1);
		htBV[2] = new HuffTab(0, htbv2);
		htBV[3] = new HuffTab(0, htbv3);
		htBV[4] = new HuffTab(0, htbv0);	//not used
		htBV[5] = new HuffTab(0, htbv5);
		htBV[6] = new HuffTab(0, htbv6);
		htBV[7] = new HuffTab(0, htbv7);
		htBV[8] = new HuffTab(0, htbv8);
		htBV[9] = new HuffTab(0, htbv9);
		htBV[10] = new HuffTab(0, htbv10);
		htBV[11] = new HuffTab(0, htbv11);
		htBV[12] = new HuffTab(0, htbv12);
		htBV[13] = new HuffTab(0, htbv13);
		htBV[14] = new HuffTab(0, htbv0);	//not used
		htBV[15] = new HuffTab(0, htbv15);
		htBV[16] = new HuffTab(1, htbv16);
		htBV[17] = new HuffTab(2, htbv16);
		htBV[18] = new HuffTab(3, htbv16);
		htBV[19] = new HuffTab(4, htbv16);
		htBV[20] = new HuffTab(6, htbv16);
		htBV[21] = new HuffTab(8, htbv16);
		htBV[22] = new HuffTab(10, htbv16);
		htBV[23] = new HuffTab(13, htbv16);
		htBV[24] = new HuffTab(4, htbv24);
		htBV[25] = new HuffTab(5, htbv24);
		htBV[26] = new HuffTab(6, htbv24);
		htBV[27] = new HuffTab(7, htbv24);
		htBV[28] = new HuffTab(8, htbv24);
		htBV[29] = new HuffTab(9, htbv24);
		htBV[30] = new HuffTab(11, htbv24);
		htBV[31] = new HuffTab(13, htbv24);

		htCount1[0] = new HuffTab(0, htc0);
		htCount1[1] = new HuffTab(0, htc1);
	}

	private void refreshMask() {
		while(intBitNum < 24) {
		    intMask |= bsMainData.get1Byte() << (24-intBitNum);
		    intBitNum += 8;
		    intPart2Remain -= 8;
		}
	}

	/*
	 * decode方法: 一个粒度组内的一个声道哈夫曼解码
	 *
	 * ch: 声道
	 * objGRI: 粒度组信息
	 * intHuffValue[]: 接收解码得到的576个值
	 * 返回值: 576减去rzone区长度.
	 */
	public int decode(final int ch, final GRInfo objGRI, int[] intHuffValue) {
		int i, x, y, iTmp, linbits, intIndex=0;
		HuffTab htCur;

		/*
		 * 1. 初始化4个成员变量intBitNum,intMask,intPart2Remain,intRegion[]
		 */
		intBitNum = intMask = 0;
		intPart2Remain = objGRI.part2_3_length - objGRI.part2_bits;
		x = objGRI.region1Start;		// region1
		y = objGRI.region2Start;		// region2
		i = objGRI.big_values << 1;		// bv
		if(i > 574)
			i = 574;					// 错误的big_value置为0 ?
		if(x < i) {
			intRegion[0] = x;
			if(y < i) {
				intRegion[1] = y;
				intRegion[2] = i;
			} else
				intRegion[1] = intRegion[2] = i;
		} else
			intRegion[0] = intRegion[1] = intRegion[2] = i;

		/*
		 * 2. 使位流缓冲区bsMainData字节对齐
		 */
		intBitNum = 8 - bsMainData.getBitPos();
		intMask = bsMainData.getBits9(intBitNum);
		intMask <<= 32 - intBitNum;
		intPart2Remain -= intBitNum;

		/*
		 * 3. 解码大值区
		 */
		for (i = 0; i < 3; i++) {
			htCur = htBV[objGRI.table_select[i]];
			linbits = htCur.linbits;
			while(intIndex < intRegion[i]) {
				refreshMask();
				iTmp = intMask;
				y = htCur.table[iTmp >>> 30];
				while (y < 0) {
					iTmp <<= 2;
					y = htCur.table[(iTmp >>> 30) - y];
				}
				x = y >> 8;				// hlen
				intBitNum -= x;
				intMask <<= x;

				x = (y >> 4) & 0xf;	// 解得两个值
				y &= 0xf;

				if (x != 0) {
					if(x == 15 && linbits != 0) {
						refreshMask();
						x += intMask >>> (32 - linbits);	// 循环右移
						intBitNum -= linbits;
						intMask <<= linbits;
					}
					if(intMask < 0)
						intHuffValue[intIndex++] = -x;
					else
						intHuffValue[intIndex++] = x;
					intBitNum--;
					intMask <<= 1;
				} else
					intHuffValue[intIndex++] = 0;

				if (y != 0) {
					if (y == 15 && linbits != 0) {
						refreshMask();
						y += intMask >>> (32 - linbits);
						intBitNum -= linbits;
						intMask <<= linbits;
					}
					if(intMask < 0)
						intHuffValue[intIndex++] = -y;
					else
						intHuffValue[intIndex++] = y;
					intBitNum--;
					intMask <<= 1;
				} else
					intHuffValue[intIndex++] = 0;
			}
		}

		/*
		 * 4. 解码count1区
		 */
		htCur = htCount1[objGRI.count1table_select];
		while(intIndex < 572) {
			refreshMask();
			iTmp = intMask;
			y = htCur.table[iTmp >>> 28];
			while (y < 0) {
				iTmp <<= 4;
				y = htCur.table[(iTmp >>> 28) - y];
			}
			x = y >> 8;		// hlen
			intBitNum -= x;
			intMask <<= x;

			if(intPart2Remain + intBitNum <= 0) {
				intBitNum -= intPart2Remain + intBitNum;
				break;
			}

			y <<= 28;
			for(i = 0; i < 4; i++) {	// 一个码字(hcod)解码得到4个值
				if(y < 0) {
					if(intMask < 0)
						intHuffValue[intIndex++] = -1;
					else
						intHuffValue[intIndex++] = 1;
					intBitNum--;
					intMask <<= 1;
				} else
					intHuffValue[intIndex++] = 0;
				y <<= 1;
			}
		}

		/*
		 * 5. rzone区直接置0,即intHuffValue[nozero_index..575]=0
		 */
		int nozero_index = intIndex;
		while(intIndex < 576)
			intHuffValue[intIndex++] = 0;

		/*
		 * 6. 丢弃位流缓冲区中的填充位.填充位不超过多少位?
		 */
		intPart2Remain += intBitNum;
		if(intBitNum > 0)
			bsMainData.backBits(intBitNum);		// intBitNum比特归还位流缓冲区
		if(intPart2Remain > 0) {
			while(intPart2Remain > 8) {
				bsMainData.getBits9(8);			// 不再是字节对齐的
				intPart2Remain -= 8;
			}
			if(intPart2Remain != 0)
				bsMainData.getBits9(intPart2Remain);
		}

		return nozero_index;
	}

	///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// 码表
	// 码表较长，压缩后放在附件里的。打开附件htbv_htc.txt把代码COPY到这就OK啦~
}

 

JAVA没的“指针”类型，操作N叉树只能用JAVA的数组。尽管制作的码表存放在数组内，“逻辑上”仍然用N叉树存放的，这样去看待它，就很容易理解这N叉哈夫曼树。

 

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【本程序下载地址】http://jmp123.sourceforge.net/