基于上下文自适应可变长熵编码 CAVLC 原理详细分析

CAVLC

CAVLC，即Context-Adaptive Variable-Length Coding，是一种用于视频压缩的编码技术，特别是在MPEG-4视频编码标准中使用。CAVLC是一种熵编码方法，它根据视频数据的上下文信息来调整编码长度，以实现更有效的数据压缩。

CAVLC的主要特点包括：

上下文适应性：编码器会根据视频帧中的特定上下文来选择最合适的编码长度，例如在图像的平坦区域使用较短的编码，而在边缘区域使用较长的编码。
可变长度编码：编码的长度不是固定的，而是根据数据的统计特性来确定，这有助于进一步压缩数据。
效率：CAVLC提供了比固定长度编码更高的压缩效率。

CAVLC通常用于视频编码的残差数据部分，即在变换编码（如DCT）之后，用于编码变换系数。这种编码方式可以显著减少编码后数据的比特率，从而提高视频传输和存储的效率。

CAVLC原理

NC 计算

该值的求解过程中，体现了基于上下文的思想。除了色度的直流系数外，其它系数类型的 NC 值是根据当前块左边 4x4 块的非零系数数目(NA)和当前块上面 4x4 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 表示与当前块同属于一个片并可用。选择非零系数数目和拖尾系数数目的编码表格的过程见表 6.11 。

Levels 计算

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 suffixLength 的值，有两种情况例外:
- 当前缀等于 14 时，suffixLength 等于 0，levelSuffixsSize 等于 4。
- 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:
- 普通情况下 suffixLength 初始化为 0，但是当块中有多于 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。
- 编码在最高频率位置上的非零系数。
- 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 的值加一的阈值如表 3 所示。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。
Levels 的算法过程：

将有符号变成无符号：如果level > 0: levelcode = level << 1 - 2 如果level < 0: levelcode = -(level << 1) - 1 ；(上面的公式对应句法也就是把正数转换为偶数，负数转换为奇数。比如level=1时，levelcode=0，level=-1，levelcode=1）。
根据level_prefix 码表进行查表： level_prefix = levelcode / （1 << suffix_length） 得到level_prefix之后通过查表即可以获得对应该如何编码。（在句法中，有 levelCode = level_prefix << suffix_length，进行转换，就可以得到上面的公式）。
Suffix_length表示的是level编码后缀的长度，后缀用0填充，长度为多少就填充多少个0。初始值为0，如果非零系数 > 10且拖尾数目 < 1的时候，suffix_length初始值为1，if(suffix_length == 0) suffix_length++; else if(level > 3 << (suffix_length - 1) && suffix_length < 6) suffix_length++。

CAVLC示例

编码残差数据经过变换量化后的4x4 块矩阵举例如下：
量化后矩阵系数有负数的原因：因为在变换前，一般字节的值在 0～255，为了减少像素绝对值的波动，先把数值移位一下，变成-128~127；这样就出现了负数，移位之后再进行变换和量化操作。
对 4x4 矩阵进行 zigzag 扫描：0、0、5、3、2、-1、0、0、0、1、0、0、0、0、0、0
TotalCoeffs = 5
TrailingOnes = 2
TotalZeros = 5
NC = 3 (假定)
编码coeff_token：根据TotalCoffes，TrailiingOnes以及NC而确定；确定coeff_token编码为 0000101
编码TrailingOnes：标志位符号Trailing_ones_sign_flag 中 0 表示 +1，1 表示 -1，从右到左依次编码为 01
编码除拖尾以外的非零系数的Levels：按照 zigzag 的逆序，从右向左。

编码“2”：levelcode = 2 << 1 - 2 = 2; level_prefix = 2 / (1 << 0) = 2; 此时suffix_length == 0,没有后缀，同时suffix_length++，suffix_length = 1. 查表，level_prefix = 2时，编码为“001”,且suffix_length = 0,无后缀，此时编码为：001
编码“3”： levelcode = 3 << 1 - 2 = 4; level_prefix = levelcode / (1 << suffix_length) = 4 / (1 << 1) = 2 ; level_prefix = 2, 编码为“001”，且suffix_length = 1, 填充 1 位“0”，根据公式：if(suffix_length == 0) suffix_length++; else if(level > 3 << (suffix_length - 1) && suffix_length < 6) suffix_length++ ；条件不成立，则此时suffix_length不需要累加 1，suffix_length依旧等于 1，此时编码为：0010
编码"5"： levelcode = 5 << 1 - 2 = 8; level_prefix = levelcode / (1 << suffix_length) = 8 / (1 << 1) = 4 ; level_prefix = 4，suffix_length = 1，此时, 编码为“00001”，且此时suffix_length == 1, 填充1位“0”，根据公式，条件成立，suffix_length需要累加1；suffix_length = 2，最终编码为：000010

编码最后一个非零系数前的0的个数TotalZeros：此时TotalZeros = 5, TotalCoeffs = 5, 查第一张表，因为TotalZeros=5，所以此时的编码为 101
对每个非零系数前零的个数RunBefore进行编码，依旧采用ZigZag反序：

RunBefore 在以下两种情况下是不需要编码的:
最后一个非零系数(在低频位置上)前零的个数；
如果没有剩余的零需要编码(Σ[RunBefore]=TotalZeros)时，没有必要再进行 RunBefore 的编码；

按照ZigZag逆序分别为 1， -1， 2， 3， 5，查表；
对1编码： zerosLeft = 5, run_before = 3, 编码为010；
对-1编码： zerosLeft = 2, run_before = 0, 编码为1；
对2编码： zerosLeft = 2, run_before = 0, 编码为1；
对3编码： zerosLeft = 2, run_before = 0, 编码为1；
对5编码： zerosLeft = 2, run_before = 0, 最后一个系数不需要编码。