【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》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！

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一、上下文自适应的二进制算术编码

在上篇博文【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中研究了算术编码的基本概念，然而在实际的H.264编解码的方法中，显然是不可能采用上文中简单的算法来实现。在实际应用中，H.264采用的为称作上下文自适应的二进制算术编码（Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding, CABAC）。CABAC算法是H.264中新引入的一种非常复杂的熵编码算法，专门用于视频的压缩编码。事实证明，在视频压缩编码领域，CABAC保持了强大的生命力，在H.264更新的标准H.265中继续保留了CABAC算法，并且废弃了CAVLC而将CABAC作为主要的熵编码方法。

在CABAC中，主要步骤或算法可以分为3个步骤/类别：

语法元素的二值化；
上下文模型；
算术编码；

在本章节中主要讨论语法元素二值化过程，上下文模型和算术编码在后续章节详述。

二、二值化方法

我们知道，预测编码、变换编码等步骤输出的信息多种多样，不会仅仅出现二进制数据，例如宏块类型mb_type或预测模式pred_mode等信息具有比较广泛的取值范围。在输入算术编码器之前，需要对这些语法元素进行二值化操作。在H.264的标准文档中，二值化的方法定义在9.3.2节。

语法元素二值化的输入数据为一个语法元素的值，例如型mb_type等。而输出的信息为语法元素的二值化数据流，以及maxBinIdxCtx、ctxIdxOffset和bypassFlag等信息。在协议文档中定义的二值化方法有：

一元二值化(Unary Binarization)；
截断一元二值化(Truncated Unary Binarization)；
k阶指数哥伦布编码；
定长编码；
其他方法；

2.1 一元二值化(Unary Binarization)

一元二值化方法是一种非常简单的方法。二值化之后的码流长度等于语法元素的值val，且除了最后一位为0外，前面的val-1位均为1。对应关系为：

2.2 截断一元二值化(Truncated Unary Binarization)

采用截断一元二值化方法时，输入数据除了语法元素的值之外，还需要传入一个值cMax，表示语法元素的上限值。使用截断一元二值化时，如果语法元素的值小于cMax，则采用2.1所述的一元二值化方法；如果语法元素的值等于cMax，则二值化的输出码流为cMax个bit-1。

2.3 k阶指数哥伦布编码

指数哥伦布编码在前面的博文中已有详述，详情可见：

【H.264/AVC视频编解码技术详解】八、熵编码算法（2）：H.264中的熵编码基本方法、指数哥伦布编码】

2.4 定长编码

定长编码的输入数据包括语法元素的值和cMax，，表示语法元素的上限值。定长编码的码字长度以cMax的长度为准，并按二进制排列每一个语法元素值作为编码的对应。

三、语法元素的二值化

3.1 语法元素相关的特定二值化方法

在标准协议文档的9.2.3.5描述了宏块类型mb_type和子宏块类型sub_mb_type的二值化。这两种类型的二值化方法不是由某个算法推导，而是由表格指定。表9-36到9-38描述了此类语法元素的值与二进制数据的关系。

3.2 Coded Block Pattern的二值化

对于CBP数据，其二值化码流由前缀和后缀组成。前缀表示亮度cbp，即CodedBlockPatternLuma，由cMax为15的定长编码实现；若ChromaArrayType不等于0或3，则后缀表示色度cbp即CodedBlockPatternChroma，由cMax为2的截断一元编码表示。

3.3 mb_qp_delta的二值化

mb_qp_delta的二值化过程需要首先解决一个其取值有正有负的过程，因此首先采用了标准文档中表9-3中的正负值映射方法将mb_qp_delta全部转换为非负值，而后采用一元编码方法进行二值化。