本文记录H.264编解码器使用到的编码算法，包括Exp-Golomb(哥伦布编码)、CAVLC(基于上下文自适应的可变长编码)、CABAC(基于上下文的自适应二进制算术熵编码)。
H264 编码格式的码流包含许多编码符合，这些编码符号包括各种syntax、参数、预测类型、不同编码的运动矢量、转换系数等等。H264/AVC 标准
有多种编码方法：
- Fixed length code(定长编码):符号被转换成特定长度(n bits)的二进制码字。
- Exponential-Golomb variable length code(哥伦布变长编码):符号被编码成哥伦布码字，通常越短的哥伦布码字用于表示大概率出现的符号。
- CAVLC(基于上下文自适应的可变长编码):
- CABAC(基于上下文的自适应二进制算术熵编码):
Exp-Golomb 哥伦布编码
CAVLC 基于上下文自适应的可变长编码
CAVLC 的基本原理
熵编码是无损压缩编码方法，它生成的码流可以经解码无失真地恢复出原数据。在H.264中的CAVLC（基于上下文自适应的可变长编码）中，通过
根据已编码句法元素的情况动态调整编码中使用的码表，取得了极高的压缩比。
CAVLC用于亮度和色度残差数据的编码。残差经过变换量化后的数据表现出如下特性：4*4块数据经过预测、变换、量化后，非零系数主要集中在
低频部分，而高频系数大部分是零；量化后的数据经过zig-zag扫描，DC 系数附近的非零系数值较大，而高频位置上的非零系数值大部分是+1和-1;
相邻的4*4块的非零系数的数目是相关的。CAVLC充分利用残差经过整数变换、量化后数据的特性进行压缩，进一步减少数据中的冗余信息，为H.264卓越的编码效率奠定了基础。
CAVLC 的上下文模型
利用相邻已编码符号所提供的相关性，为索要编码的符号选择合适的上下文模型。利用合适的上下文模型，就可以大大降低符号间的冗余度。在CAVLC中上下文模型的选择主要体现在两个方面，非零系数
编码所需表格的选择以及拖尾系数后缀长度的更新。
CAVLC 的编码过程
- 编码非零系数的数目(TotalCoeffs)以及拖尾系数的数目(TrailingOnes)
非零系数数目的范围是从 0 到 16，拖尾细数数目的范围是从 0 到 3.如果+1/-1的个数大于 3 个，只有最后 3 个被视为脱位系数，其余的被视为普通的非零系数。 对非零系数数目和拖尾系数数目的编码是通过查表的方式，共有 4 个变长表格和 1 个定长表格可供选择。对非零系数数目和拖尾细数数目的编码是通过查表的方式， 共有 4 个变长表格和 1 个定长表格可供选择。其中的定长表格的码字是 6 个比特长，高 4 位表示非零系数的个数(TotalCoeffs)，最低两位表示拖尾系数的个数(TrailingOnes)。
表格的选择是根据变量NC（Number Current,当前块值）的值来选择的，在求变量 NC 值得过程中，体现了基于上下文的思想。除了色度的直流系数外，其他系数类型的 NC 值是根据当前
块左边4*4块的非零细数数目(NA)和当前块上面4*4块的非零系数数目(NB)求得的。当输入的系数是色度的直流系数时，NC=-1。求 NC 的过程见表6.10，X 表示与当前快同属于一个片并可用。
选择非零系数数目和拖尾细数数目的编码表格的过程见表。
计算 NC 的值
| 上面的块(NB) | 左边的块(NA) | NC |
|---|---|---|
| X | X | (NA+NB)/2 |
| X | NA | |
| X | NB | |
| 0 |
选择非零系数数目和拖尾系数数目的编码表格
| NC | 表格 |
|---|---|
| 0<=NC<2 | 变长表格1 |
| 2<=NC<4 | 变长表格2 |
| 5<=NC<8 | 变长表格3 |
| NC=-1 | 变长表格4 |
| NC>=8 | 定长表格 |
- 编码每个拖尾系数的符号
对于每个拖尾系数(+1/-1)只需要指明其符号，其符号用一个比特表示(0 表示+, 1 表示-)。编码的顺序是按照反向扫描的顺序，从高频数据开始。
- 编码除了拖尾系数之外的非零系数的副值(Levels)
非零系数的幅值(Levels)的组成分为两个部分，前缀(level_prefix)和后缀(level_suffix)。levelSuffixsSize和suffixLength是编码过程
中需要使用的两个变量。后缀是长度为LevelSuffixsSize位的无符号整数。通常情况下变量levelSuffixsSize的值等于变量suffixLenght的值，有两种情况例外：
1. 当前缀等于 14 时，suffixLength等于 0, levelSuffixsSize等于 4.
2. 当前缀等于 15 时，levelSuffixsSize等于 12.
变量suffixLength是基于上下文模式自适应更新的，suffixLength的更新与当前的suffixLength的值以及已经解码好的非零系数的值(Level)有关。suffixLength数值
的初始化以及更新过程如下所示：
1. 普通情况下suffixLength 初始化为0，但是当块中有多余10个非零系数并且其中拖尾系数的数目少于3个，suffixLength初始化为1.
2. 编码在最高频率位置上的非零系数。
3. 如果当前已经解码好的非零系数值大于预先定义好的阈值，变量suffixLength加1.
决定是否要将变量 suffixLength 的值加一的阈值如下表，第一个阈值是0，表示在第一个非零系数被编码后，suffixLength 的值总是增加 1.
| 当前suffixLength | 阈值 |
|---|---|
| 0 | 0 |
| 1 | 3 |
| 2 | 6 |
| 3 | 12 |
| 4 | 24 |
| 5 | 48 |
| 6 | N/A |
- 编码最后一个非零系数前零的数目(TotalZeros)
TotalZeros指的是在最后一个非零系数前零的数目，此非零系数指的是按照正向扫描的最后一个非零系数。例如：已知一串系数00503000100-10000，最后一个非零系数是-1,
TotalZeros的值等于2+3+1+2=8。因为非零系数数目(TotalCoeffs)是已知，这就决定了TotalZeros可能的最大值。
- 编码每个非零系数前零的个数(RunBefore)
每个非零系数前零的个数(RunBefore)是按照反序来进行编码的，从最高频的非零系数开始。RunBefore在以下两种情况下是不需要编码的：
1. 最后一个非零系数(在低频位置上)前零的个数。
2. 如果没有剩余的零需要编码时，没有必要再进行 RunBefre 的编码。
在CAVLC中，对每个非零系数前零的个数的编码时依赖于ZerosLeft的值，ZerosLeft表示当前非零系数左边的所有零的个数，ZerosLeft的初始值
等于TotalZeros，在每个非零系数的RunBefore值编码后进行更新。用这种编码方法，有助于进一步压缩编码的比特数目。例如：如果当前ZerosLft等于 1， 就是
只剩下一个零没有编码，下一个非零系数前零的数目只可能是0或1，编码只需要一个比特。
CAVLC 编码示例
假设有一个4x4块数据：
| 0 | 0 | -1 | 0 |
| 5 | 2 | 0 | 0 |
| 3 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 |
zig-zag数据重排序：0,0,5,3,2,-1,0,0,0,1...- 非零系数的数目(TotalCoeffs) = 5
- 拖尾系数的数目(TrailingOnes) = 2
- 最后一个非零系数前零的数目(Total_zeros) = 5
- 变量NC = 3
编码过程：
| 元素 | 数值 | 编码 |
|---|---|---|
| Coeff_token | TotalCoeffs=5,TraillingOnew=2 | 0000101 |
| Trailing_onews_sign_flag | + | 1 |
| Trailing_onews_sign_flag | - | 0 |
| Level(1) | 2(suffixLength=0) | 001(前缀) |
| Level(0) | 3(suffixLength=1) | 001(前缀)0(后缀) |
| Total_zeros | 5 | 101 |
| Run_before(4) | Zreoleft=5,run_before=3 | 010 |
| Run_before(3) | Zreoleft=2,run_before=0 | 1 |
| Run_before(2) | Zreoleft=2,run_before=0 | 1 |
| Run_before(1) | Zreoleft=2,run_before=0 | 1 |
| Run_before(0) | Zreoleft=2,run_before=2 | 最后一个系数不需要编码 |
CAVLC编码输出的码流：0000101100010010101010111