【H.264/AVC視頻編解碼技術詳解】十九、熵編碼(5)：CABAC語法元素的二值化

《H.264/AVC視頻編解碼技術詳解》視頻教程已經在“CSDN學院”上線，視頻中詳述了H.264的背景、標準協議和實現，並通過一個實戰工程的形式對H.264的標準進行解析和實現，歡迎觀看！

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，只有自己按照標準文檔以代碼的形式操作一遍，才能對視頻壓縮編碼標準的思想和方法有足夠深刻的理解和體會！

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一、上下文自適應的二進制算術編碼

在上篇博文【H.264/AVC視頻編解碼技術詳解】十八：算術編碼的基本原理與實現中研究了算術編碼的基本概念，然而在實際的H.264編解碼的方法中，顯然是不可能採用上文中簡單的算法來實現。在實際應用中，H.264採用的爲稱作上下文自適應的二進制算術編碼（Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding, CABAC）。CABAC算法是H.264中新引入的一種非常複雜的熵編碼算法，專門用於視頻的壓縮編碼。事實證明，在視頻壓縮編碼領域，CABAC保持了強大的生命力，在H.264更新的標準H.265中繼續保留了CABAC算法，並且廢棄了CAVLC而將CABAC作爲主要的熵編碼方法。

在CABAC中，主要步驟或算法可以分爲3個步驟/類別：

1. 語法元素的二值化；
2. 上下文模型；
3. 算術編碼；

在本章節中主要討論語法元素二值化過程，上下文模型和算術編碼在後續章節詳述。

二、二值化方法

我們知道，預測編碼、變換編碼等步驟輸出的信息多種多樣，不會僅僅出現二進制數據，例如宏塊類型mb_type或預測模式pred_mode等信息具有比較廣泛的取值範圍。在輸入算術編碼器之前，需要對這些語法元素進行二值化操作。在H.264的標準文檔中，二值化的方法定義在9.3.2節。

語法元素二值化的輸入數據爲一個語法元素的值，例如型mb_type等。而輸出的信息爲語法元素的二值化數據流，以及maxBinIdxCtx、ctxIdxOffset和bypassFlag等信息。在協議文檔中定義的二值化方法有：

• 一元二值化(Unary Binarization)；
• 截斷一元二值化(Truncated Unary Binarization)；
• k階指數哥倫布編碼；
• 定長編碼；
• 其他方法；

2.1 一元二值化(Unary Binarization)

一元二值化方法是一種非常簡單的方法。二值化之後的碼流長度等於語法元素的值val，且除了最後一位爲0外，前面的val-1位均爲1。對應關係爲：

2.2 截斷一元二值化(Truncated Unary Binarization)

採用截斷一元二值化方法時，輸入數據除了語法元素的值之外，還需要傳入一個值cMax，表示語法元素的上限值。使用截斷一元二值化時，如果語法元素的值小於cMax，則採用2.1所述的一元二值化方法；如果語法元素的值等於cMax，則二值化的輸出碼流爲cMax個bit-1。

2.3 k階指數哥倫布編碼

指數哥倫布編碼在前面的博文中已有詳述，詳情可見：

• 【H.264/AVC視頻編解碼技術詳解】八、 熵編碼算法（2）：H.264中的熵編碼基本方法、指數哥倫布編碼】

2.4 定長編碼

定長編碼的輸入數據包括語法元素的值和cMax，，表示語法元素的上限值。定長編碼的碼字長度以cMax的長度爲準，並按二進制排列每一個語法元素值作爲編碼的對應。

三、語法元素的二值化

3.1 語法元素相關的特定二值化方法

在標準協議文檔的9.2.3.5描述了宏塊類型mb_type和子宏塊類型sub_mb_type的二值化。這兩種類型的二值化方法不是由某個算法推導，而是由表格指定。表9-36到9-38描述了此類語法元素的值與二進制數據的關係。

3.2 Coded Block Pattern的二值化

對於CBP數據，其二值化碼流由前綴和後綴組成。前綴表示亮度cbp，即CodedBlockPatternLuma，由cMax爲15的定長編碼實現；若ChromaArrayType不等於0或3，則後綴表示色度cbp即CodedBlockPatternChroma，由cMax爲2的截斷一元編碼表示。

3.3 mb_qp_delta的二值化

mb_qp_delta的二值化過程需要首先解決一個其取值有正有負的過程，因此首先採用了標準文檔中表9-3中的正負值映射方法將mb_qp_delta全部轉換爲非負值，而後採用一元編碼方法進行二值化。