H264编码器13(CAVLC和CABAC简介)
來自：https://blog.csdn.net/jubincn/article/details/6948334
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CABAC/CAVLCin H.264
什么是熵編碼？
熵編碼壓縮是一種無損壓縮，其實現原理是使用新的編碼來表示輸入的數據，從而達到壓縮的效果。常用的熵編碼有游程編碼，哈夫曼編碼和CAVLC編碼等。
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第一部分
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CAVLC
CAVLC(Context Adaptive VariableLength Coding)是在H.264/MPEG-4AVC中使用的熵編碼方式。在H.264中，CAVLC以zig-zag順序用于對變換后的殘差塊進行編碼。CAVLC是CABAC的替代品，雖然其壓縮效率不如CABAC，但CAVLC實現簡單，并且在所有的H.264profile中都支持。
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CAVLC的編碼過程如下：
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1 計算非零系數（TotalCoeffs）和拖尾系數（TrailingOnes）的數目。
拖尾系數指值為+1/-1的系數，最大數目為3。如果超過3個，那么只有最后三個被視為拖尾系數。拖尾系數的數目被賦值到變量TrailingOnes。
非零系數包括所有的拖尾系數，其數目被賦值到變量TotalCoeffs)。
2 計算nC(numberCurrent，當前塊值)。
nC值由左邊塊的非零系數nA和上面塊非零系數nB來確定，計算公式為：nC=round((nA+nB)/2)；若nA存在nB不存在，則nC=nA；若nA不存在而nB存在，則nC=nB；若nA和nB都不存在，則nC=0。
nC值用于選擇VLC編碼表，如下圖所示。這里體現了上下文相關(contextadaptive)的特性，例如當nC值較小即周圍塊的非零系數較少時，就會選擇比較短的碼，從而實現了數據壓縮。
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3 查表獲得coff_token的編碼。
根據之前編碼和計算過程所得的變量TotalCoeffs、TrailingOnes和nC值可以查H.264標準附錄CAVLC碼表，即可得出coeff_token編碼序列。
4 編碼每個拖尾系數的符號，按zig-zag的逆序進行編碼。
每個符號用1個bit位來表示，0表示“+”，1表示“—”。
當拖尾系數超過三個時只有最后三個被認定為拖尾系數，引詞編碼順序為從后向前編碼。
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5 編碼除拖尾系數之外非零系數的level（Levels）。
每個非零系數的level包括sign和magnitude，掃描順序是逆zig-zag序。
level的編碼由前綴(level_prefix)和后綴(level_suffix)組成。前綴的長度在0到6之間，后綴的長度則可通過下面的步驟來確定：
將后綴初始化為0。（若非零系數的總數超過10且拖尾系數不到3，則初始化為1）。
編碼頻率最高（即按掃描序最后）的除拖尾系數之外的非零系數。
若這個系數的magnitude超過某個門檻值(threshold)，則增加后綴的長度。下表是門檻值的列表：
6 編碼最后一個非零系數之前0的個數（totalZeos）。
TotalZeros指的是在最后一個非零系數前零的數目，此非零系數指的是按照正向掃描的最后一個非零系數
根據TotalCoeffs值，H.264標準共提供了25個變長表格供查找，其中編碼亮度數據時有15個表格供查找，編碼色度DC2×2塊（4：2:0格式）有3個表格、編碼色度DC2×4塊（4：2:2格式）有7個表格。
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7 編碼每個系數前面0的數目（run_before）。
掃描順序為zig-zag的逆序。
若∑[run_before]== total_zeros，則不需再計算run_before
掃描序中的最后一個元素不需要計算run_before
每個run_before的VLC編碼取決于run_before自身及未編碼的0的個數ZerosLeft。例如若ZerosLeft== 2，那么run_before只可能是0,1或2，因此使用兩個bit即可表示。
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第二部分?CAVLC之手把手教你編碼
轉自：http://blog.csdn.net/sunshine1314/article/details/1685948
這篇博客使用實例對上述過程做了詳細的說明，尤其是有關Levels的計算方面做了重要的補充。下面是全文的轉載：
首先聲明本文并不是我寫的,文章來自本人同學(Sunrise),都是一起做的H264,比較了解,文章內容都是自己整理的,比較可信,因此整理到一起,我也偷個懶哈
再次聲明:文中用的標準是BS的正式標準,如果大家發現序號不對,參考著改過來就是了!
編碼過程：
假設有一個4*4數據塊
{
???0,???3,???-1,???0,
???0,???-1,???1,???0,
???1,???0,???0,???0,
???0,???0,????0,???0
}
數據重排列：0，3，0，1，-1，-1，0，1，0……
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1）初始值設定：
非零系數的數目（TotalCoeffs）?=?5；
拖尾系數的數目（TrailingOnes）=?3；
最后一個非零系數前零的數目（Total_zeros）?=?3；
變量NC=1;
（說明：NC值的確定：色度的直流系數NC=-1；其他系數類型NC值是根據當前塊左邊4*4塊的非零系數數目（NA）當前塊上面4*4塊的非零系數數目（NB）求得的，見畢厚杰書P120表6.10）
suffixLength?=?0；
i?=?TotalCoeffs?=?5;
2）編碼coeff_token：
查標準（BS?ISO/IEC?14496-10:2003）Table?9-5，可得：
If?(TotalCoeffs?==?5?&&?TrailingOnes?==?3?&&?0?<=?NC?<?2)
??????coeff_token?=?0000?100;
??????Code?=?0000?100;
3）編碼所有TrailingOnes的符號：
逆序編碼，三個拖尾系數的符號依次是＋（0），－（1），－（1）；
即:
TrailingOne?sign[i--]?=?0;
TrailingOne?sign[i--]?=?1;
TrailingOne?sign[i--]?=?1;
Code?=?0000?1000?11;
4）編碼除了拖尾系數以外非零系數幅值Levels：
過程如下：
（1）將有符號的Level[i]轉換成無符號的levelCode；
如果Level[i]是正的，levelCode?=?(Level[i]<<1)?–?2;?
如果Level[i]是負的，levelCode?=?-?(Level[i]<<1)?–?1;
（2）計算level_prefix：level_prefix?=?levelCode?/?(1<<suffixLength)；
???????查表9-6可得所對應的bit?string；
（3）計算level_suffix：level_suffix?=?levelCode?%?(1<<suffixLength)；
（4）根據suffixLength的值來確定后綴的長度；
（5）suffixLength?updata：
If?(?suffixLength?==?0?)
suffixLength++；
?????????else?if?(?levelCode?>?(3<<suffixLength-1)?&&?suffixLength?<6)
????????????suffixLength++;
回到例子中，依然按照逆序，Level[i--]?=?1；（此時i?=?1）
levelCode?=?0；level_prefix?=?0；
查表9-6，可得level_prefix?=?0時對應的bit?string?=?1；
因為suffixLength初始化為0，故該Level沒有后綴；
因為suffixLength?=?0，故suffixLength++；
Code?=?0000?1000?111；
編碼下一個Level：Level[0]?=?3；
levelCode?=?4；level_prefix?=?2；查表得bit?string?=?001；
level_suffix?=?0；suffixLength?=?1；故碼流為0010；
Code?=?0000?1000?1110?010；
i?=?0，編碼Level結束。
5）編碼最后一個非零系數前零的數目（TotalZeros）：
???查表9-7，當TotalCoeffs?=?5，total_zero?=?3時，bit?string?=?111；
???Code?=?0000?1000?1110?0101?11；
6）對每個非零系數前零的個數（RunBefore）進行編碼：
i?=?TotalCoeffs?=?5；ZerosLeft?=?Total_zeros?=?3；查表9-10：
依然按照逆序編碼
ZerosLeft?=3,?run_before?=?1?????????run_before[4]=10;
ZerosLeft?=2,?run_before?=?0?????????run_before[3]=1;
ZerosLeft?=2,?run_before?=?0?????????run_before[2]=1;
ZerosLeft?=2,?run_before?=?1?????????run_before[1]=01;
ZerosLeft?=1,?run_before?=?1?????????run_before[0]不需要碼流來表示
Code?=?0000?1000?1110?0101?1110?1101；
編碼完畢。
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第三部分 CABAC
簡介
CABAC(ContextAdaptive Binary Arithmatic Coding)也是?H.264/MPEG-4AVC中使用的熵編碼算法。CABAC在不同的上下文環境中使用不同的概率模型來編碼。其編碼過程大致是這樣：首先，將欲編碼的符號用二進制bit表示；然后對于每個bit，編碼器選擇一個合適的概率模型，并通過相鄰元素的信息來優化這個概率模型；最后，使用算術編碼壓縮數據。
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CABAC編碼詳情
CABAC編碼之所以能取得很高的壓縮比，是因為：a)根據每一個語法元素的上下文來選取預測模型；b)使用本地的統計數據來估計概率；c)使用算術編碼而不是變長編碼。編碼一個符號需要經過下面幾步：
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1 二值化。
CABAC使用的算術編碼是基于二進制的算術編碼，因此非二進制形式的編碼首先要轉化為二進制的形式表示。
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下面的2、3、4步
2 選擇上下文模型。
“上下文模型”是指對二值化后的符號中的bit位進行編碼時使用的概率模型。概率模型與最近編碼的符號相關，會有多個概率模型可供選擇。
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3 算術編碼。
算術編碼器根據第2步選擇的概率模型對每個bit進行編碼。需要注意的是每個bit的子范圍只有兩個數：0和1。
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4 更新預測模型。
根據實際編碼的值來更新所選擇的預測模型。例如，如果所編碼的二進制bit為1,則預測模型中的1計數要增加。
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?編碼過程
下面將以mxdx為例解釋編碼過程，mxdx是motionvector difference in the x-direction的簡寫，通過宏塊的子塊之間運算獲得。
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1 二值化。
對于|mvdx|<9的數，使用下表進行編碼，超過9的數使用Exp-Golomb編碼。在這里，我們稱編碼后的第一個bit為bin1，第二個bit為bin2，以此推之，可以得到bin3,bin4等。
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2 為每個bin選擇一個上下文模型。
bin1可以在三個模型之間進行選擇，選擇的依據是相鄰的兩個mxdx的絕對值之和，ek:
ek = mxdxA+ mxdxB(A和B分別是當前塊的上方塊和左邊塊)
根據ek值從下表中為bin1選擇上下文模型：
除bin1之外的其它bit的上下文模型的選擇根據下表進行：
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3 編碼每個bin。
所選的預測模型中有0和1的概率，從而為算術編碼器提供了概率范圍，算術編碼器使用這個概率范圍對此bin進行算術編碼。
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4 更新上下文模型。
例如，若bin1使用上下文模型2，而bin1的值是1，那么上下文模型2中1的計數就要增加，1的概率和0的概率需要重新計算。當上下文模型中的總數超過門檻值后，0和1的計數就要除以某個值，從而使得新加入的0和1在模型中產生更大的影響。
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的H264编码器13(CAVLC和CABAC简介)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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