H.264/AVC视频编解码技术详解二十二熵编码：语法元素的CABAC解析

Posted 2022-11-24 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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在本系列的博文18中，我们讨论了算术编码的基本原理，以及实现一个简单的算术编码器内核的方法：

• 【H.264/AVC视频编解码技术详解】十八：算术编码的基本原理与实现

而在博文19和21中我们根据H.264对于CABAC的规定，讨论了语法元素二值化以及上下文概率模型的相关算法：

• 【H.264/AVC视频编解码技术详解】十九、熵编码(5)：CABAC语法元素的二值化
• 【H.264/AVC视频编解码技术详解】二十一、熵编码(6)：CABAC的上下文概率模型

通过前面的研究我们已经了解，由于视频数据特殊的统计特性和对编码性能的高指标要求，CABAC的算法远远比博文18中描述的基本模型更加复杂。尽管如此，CABAC在算术编码的最核心层面依然遵循了博文18中所讲的根本原理，这一点在本文对标准协议文档的解读中也可以获得明确的证实。

一、CABAC解析（解码）的总流程

CABAC的解码过程定义与标准协议文档的9.3.3.2节。CABAC解码过程所需要的输入数据包括前一章所推导出的上下文模型索引ctxIdx、旁路模式标志bypassFlag，以及解码器引擎的状态。下图表示了CABAC解码过程的概念框图：

在上图中可以看出，根据参数的不同，CABAC解码总共可能有三种运行流程：

• DecodeBypass: 当旁路模式标志bypassFlag为1时执行，表示旁路模式的解析过程；
• DecodeDecision: 当bypassFlag为0且ctxIdx不为276时执行，表示CABAC解析过程；
• DecodeTerminate: 当bypassFlag为0且ctxIdx==276时执行，表示解析终结码的过程；

在这三种执行流程中最重要的就是第二种——DecodeDecision。接下来本文将从DecodeDecision开始分析这三种解析过程。

二、CABAC算术编码的解码（解析）过程

本节描述的即是DecodeDecision部分的方法。这一部分也是CABAC算法中最为重要的部分，H.264的main、high profile中的多数语法元素都是通过该过程进行解析的。该部分在标准协议文档的9.3.3.2.1中定义。

从标准协议中的该节内容中可知，该过程所需要的数据有ctxIdx, codIRange 和 codIOffset，其中ctxIdx由前一章《CABAC的上下文概率模型》中的方法推导，codIRange 和 codIOffset的初始值由CABAC解码器引擎的初始化确定。输出的数据包括解析出来的语法元素比特位值binVal，以及更新过的codIRange 和 codIOffset。

该过程的整体流程如下图所示：

2.1 计算 codIRangeLPS

计算 codIRangeLPS 的过程遵循以下流程：

1. 根据当前的codIRange值，计算qCodIRangeIdx的值：
   • qCodIRangeIdx =( codIRange >> 6 ) & 3
2. 通过 qCodIRangeIdx 和 pStateIdx，计算 codIRangeLPS 的值：
   • 通过查表获取：codIRangeLPS = rangeTabLPS[ pStateIdx ][ qCodIRangeIdx ]
   • rangeTabLPS为预定义的表，在表9-44中指定；

2.2 更新 codIRange

更新 codIRange 的方法为：

codIRange = codIRange - codIRangeLPS；

更新完成后，判断 codIOffset，如果 codIOffset >= codIRange，输出比特位值binVal赋值为1 - valMPS，并且codIOffset自减去codIRange的值，然后codIRange的值赋值为codIRangeLPS；否则，输出比特位值binVal赋值为valMPS。

2.3 状态转移过程

在CABAC编码或解码语法元素的某一个bit，编码/解码器将随之更新编解码器的状态。状态转移过程定义于标准的9.3.3.2.1.1节。该过程根据当前的上下文模型索引和解码的比特值，来更新上下文模型索引以及LPS/MPS的定义。

状态转移过程可以下式表示：

if( binVal = = valMPS )
    pStateIdx = transIdxMPS( pStateIdx )
else 
    if( pStateIdx = = 0 ) 
        valMPS = 1 − valMPS   
    
    pStateIdx = transIdxLPS( pStateIdx )

在编码过程中上下文模型索引的更新同样以查表的形式实现，该表格在9-45中规定。

2.4 归一化过程

在第18篇博文“算术编码的基本原理中”已经讨论过算术编码器的归一化。在H.264实际定义的CABAC算法中，归一化同样也是必备过程。CABAC的归一化过程定义于9.3.3.2.2节，流程图以下图表示：

进行归一化的本质含义是更新codIRange和codIOffset的值，所需要的数据包括当前CABAC的codIRange和codIOffset以及当前的二进制比特流数据。主要步骤为：

• 判断如果codIRange不小于256，那么不需要进行归一化；
• 如果codIRange小于256，则进行归一化过程，方法为：
  1. codIRange和codIOffset分别自乘以2；
  2. 在码流中读取 1 bit，并与codIOffset按位取或运算并更新到codIOffset；

三、CABAC的bypass解析方法

本节描述的是CABAC的DecodeBypass方法，即旁路解析模式，在bypass值设为1时执行。DecodeBypass相比DecodeDecision方法的特点是编码效率较低但运算远比DecodeDecision简单。与DecodeDecision过程相比，DecodeBypass不需要ctxIdx，只需要codIRange和codIOffset两个值。

DecodeBypass过程的流程图如下：

解析过程为：

1. 首先codIOffset自增一倍，并且从码流中读取1 bit与之求按位或操作；
2. codIOffset与codIRange对比：
   • 若codIOffset小于codIRange，输出二进制位0；
   • 否则，输出二进制位1，且codIOffset自减去codIRange的值；

四、CABAC的终止符解析

CABAC的终止符解析即DecodeTerminate过程，主要用于解析end_of_slice和ctxIdx值为276的元素。解析的方法类似于DecodeBypass过程，流程如下：

1. 首先codIOffset自减2；
2. codIOffset与codIRange对比：
   • 若codIOffset小于codIRange，输出二进制位0，并执行解码器的归一化过程；
   • 否则，输出二进制位1；