H.264/AVC视频编解码技术详解十三熵编码算法：H.264使用CAVLC解析宏块的残差数据

Posted 2022-12-09 取次花丛懒回顾

《H.264/AVC视频编解码技术详解》视频教程已经在“CSDN学院”上线，视频中详述了H.264的背景、标准协议和实现，并通过一个实战工程的形式对H.264的标准进行解析和实现，欢迎观看！

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，只有自己按照标准文档以代码的形式操作一遍，才能对视频压缩编码标准的思想和方法有足够深刻的理解和体会！

链接地址：H.264/AVC视频编解码技术详解

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1. H.264的CAVLC解析宏块残差数据的流程

在H.264的解码器在解析宏块的残差数据时，其流程类似于上文提到的CAVLC编码的逆过程。在解析一个宏块残差的时候，首先解析的是残差矩阵的非零系数以及拖尾系数的个数numCoeff和trailingOnes。随后是每一个拖尾系数的符号trailingSigns。而后是每一个非拖尾非零系数level的值。然后解析的是最高频非零系数前面的零的总个数totalZeros。最后是每一个非零系数前连续零的个数runBefore。

2. 计算CAVLC解析残差的上下文参数

CAVLC编解码过程中的上下文即为当前块值numberCurrent。该值与当前像素块的左侧邻块和上方邻块中非零系数的个数有关。

以尺寸为4×4宏块分割方式为例。当前像素块同左侧和上方邻块的相对位置关系如下图：

对于当前像素块，若其上方和左侧相邻块都不可见(unavailable)，那么当前像素块的numberCurrent值为0；若上方或左侧，有且仅有一个相邻块是可见的，那么当前像素块的numberCurrent值即为这个邻块中非零系数的个数numCoeff；若两个邻块都是可见的，那么当前像素块的numberCurrent值为两个邻块numCoeff的四舍五入平均值。

3. 解析非零系数总个数和拖尾系数个数

在CAVLC的解析过程中，非零系数总个数numCoeff和拖尾系数个数trailingOnes两个值是一起解析出来的。解析这两个值依据的是标准文档中的表9-5，如下表即是表9-5的部分：

根据之前解析出来的numberCurrent值，在这个表格中选择一列作为解码数据的参考。此后，从码流中读取相应长度的二进制码流，与表格中的值相比较。当码流与表格中的值匹配时，表格的前两列作为数组的下标，其值即等于希望解析出来的numCoeff和trailingOnes的值。

4. 解析拖尾系数的符号

我们知道变换系数矩阵中最高频的几个绝对值为1的非零系数称之为拖尾系数，其个数范围为0~3个。表示每一个拖尾系数的符号可以一个bit的trailing_ones_sign_flag表示：

• 当trailing_ones_sign_flag为1，拖尾系数符号为-；
• 当trailing_ones_sign_flag为0，拖尾系数符号为+；

5. 解析非零系数的幅值

非拖尾的非零系数的幅值通常表示为levels。Levels的解析相对较为复杂。该部分是从最高频开始解析到最低频的非零系数为止。也就是说，levels部分是按频率倒序解析的。

在解析每一个level的时候，每一个值都会按照前缀(prefix)和后缀(suffix)两部分进行解析。

5.1 解析level_prefix部分：

Level_prefix部分即level的前缀部分，该部分的解析较为简单，以伪代码表示如：

leadingZeroBits = −1
for( b = 0; !b; leadingZeroBits++ )
    b = read_bits( 1 )
level_prefix = leadingZeroBits

结合标准文档中的表9-6的表述可知，level的前缀值即为当前码流的下一个比特1之前连续的比特0的个数。

5.2 解析level_suffix部分：

Level_suffix部分的解析比prefix部分复杂，总体上可以分为以下几个步骤：

1. 解析过程开始之前，初始化suffixLength的值：当非零系数总数numCoeff大于10且拖尾系数个数trailingOnes等于3时，suffixLength初始化为1，否则初始化为0；
2. 确定levelSuffixSize的值：通常情况下，levelSuffixSize的值等于当前的suffixLength，除了下列两种意外情况：第一，level_prefix的值等于14且suffixLength为0，此时levelSuffixSize设为4；第二，level_prefix大于等于15，此时levelSuffixSize设为level_prefix-3；
3. 解析level_suffix的值：根据levelSuffixSize的值作为长度，在码流中读取对应的二进制数据作为level_suffix；若levelSuffixSize为0，则level_suffix的值为0；

5.3 由level_prefix和level_suffix部分组合成为levelCode

在解析完成level_prefix和level_suffix之后，将二者组合生成levelCode。计算方法为：levelCode=(Min(15,level_prefix)<

5.3 由levelCode计算level

根据计算得到的levelCode的奇偶性，判断level的符号：

• 若levelCode是偶数，返回level值为(levelCode + 2)>>1;
• 若levelCode为奇数，返回level值为(−levelCode−1)>>1；

5.4 更新suffixLength的值

在解析过程中更新suffixLength体现了上下文自适应的思想。

• 当suffixLength = 0时，suffixLength更新为1；
• 当suffixLength小于6，且刚刚解析出来的level值大于阈值threshold时，suffixLength自增1；阈值threshold定义为( 3 << ( suffixLength − 1 ) )；

6. 解析零系数信息

变换系数矩阵中的零系数也是重要的信息。CAVLC解析的零系数信息主要分两类：

• totalZeros:每个矩阵一个值，表示最高频非零系数前零系数的总个数；
• runBefore：每个非零系数一个值，表示该非零系数前连续0的总个数；

解析totalZeros的过程与解析numCoeff和trailingOnes类似，都是从一个二维表格中查找某列表格，在从码流中查找与表格中匹配的值，然后索引便是所求的totalZeros值。解析totalZeros的表格为标准文档中的表9-7。下图是表9-7的局部：

在解析totalZeros的过程中，选择表格的索引值等于当前矩阵块的非零系数个数numCoeff。

解析每个非零系数的runBefore时，也是按照从高频到低频逆序处理的。每次解析的runBefore也是按照类似上述的解析方法，从码流中读取相应长度的码流并与表格中的值比对，匹配后返回索引值作为解析的值。解析runBefore参考标准文档的表9-10：

每次解析出一个runBefore后，totalZeros都要减去该值，然后进行下一次处理。若有n个非零系数，则总共需要解析n-1个runBefore。最低频率的非零系数前的runBefore不需要写在码流中，因为可以通过上述信息推算出。

以上就是解析一个宏块的4×4残差系数矩阵相应语法元素的主要思想和过程。当然实际的解析过程比此要复杂得多，更详细的情况可到CSDN学院的课程：H.264/AVC视频编解码技术详解中观看。