CABAC 详述

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原创最新推荐文章于 2026-05-01 05:02:27 发布 8.1k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

CABAC编解码原理分析本文主要对cabac编解码的原理进行分析阅读详情

由三个部分组成：

一． 二进制化 (主要是将非二制的各语法元素转换成二进制的比特序列，也可以称为对输入流的预编码，经它编码后的输出是MPS概率极高的比特流。)

MPS(高概率符号0或1) 、LPS(低概率符号1 或0)

在算术编码流程中必须的记录状态为：

L 当前区间的下限

R 当前区间的大小长度

Binval 当前字符，即二进制的符号1或0

各字符的概率Px

当前处理的字符为MPS时，区间递进只是子区间的长度发生了改变，而作为影响实际输出值的L却没有发生改变，这个现象意味着如果输入流中连续出现大量的MPS，或者MPS相对LPS出现的概率比较高时，可以达到极高的压缩效果，编码输出的码率也更接近熵率。

四种转换方式： Unary Binarization(U) ; Truncated unary binarization(TU); Kth order Exp_golomb binarization (UEGK); Fixed_length binarization (FL)

U : binIdx 编码后的比持序号

编码前

编码后的比特流

. . . . . .

binIdx

二． 上下文建模

为基本的CABAC 编码过程，一种regular coding mode 另一种为 bypass coding mode.

只有regular coding mode 应用了上下文模型，而直通模式用于加速编码流程，当概率近似为50%的时候。这部分主要说明regular coding mode的进程。这里，先说理论，再讲流程。　

理论：　　

1，CABAC　算术编码基础

算术编码的复杂度主要体现在概率的估计和更新，

CABAC建立了一个基于查表的概率模型，将0~0.5　划分为64个概率量化值，这些概率对应于LPS字符，而MPS的概率为（1－Plps），概率的估计值被限制在查表内，概率的刷新也是依据于查表。如果当前出现的字符是MPS，则Plps 变小。

划分子区间的乘法运算 R＝R x Px

对于这里的乘法运算，CABAC首先建立了一个二维表格，存储预先计算好的乘法结果，表格的入口参数一个来自Px( 对应于theta，概率量化值)，另一个来自R（R的量化为：p=(R>>6)&3 ）,

流程图：

图中，灰色部分是概率的刷新部分，表TABRangeLPS存储预先计算好的乘法结果，表TransIDxLPS是与对应的概率表。

有三个值是比较特殊的，：

theata=0 时，LPS的概率已达到了最大值0.5，如果下一个出现的是LPS，则此时LPS和MPS的字符交换位置.

Theta=63对应着LPS的最小概率值，但它并没有纳入CABAC的概率估计和更新的范围，这个值被用做特殊场合，传递特殊信息，比如，当解码器检测到当前区间的划分依据是这个值时，认为表示当前流的结束.

Theta=62 ,这是表中的最小值，它对应的刷新值是它自身，当MPS连续出现，LPS的概率持续减小，到62保持不变。

2 CABAC　上下文模型

CABAC将片作为算术编码的生命周期，h.264将一个片内可能出现的数据划分为399个上下文模型，每个模型均有自己的CtxIdx（上下文序号），每个不同的字符依据对应的上下文模型，来索引自身的概率查找表。即收到字符后，先索引该字符的上下文模型序号(CtxIdx)，才能找到它的概率查找表（TransIdxLPS）,再做上图上的操作。这些模型的划分精确到比特，几乎大多数的比特和它们邻近的比特处于不同的上下文模型中。

查找每个比特所对应的上下文模型有两个步骤：

1确定该比特所属的句法元素。即例如：　mb_type, mb_field_decoding_flag 等。

h.264为每个句法元素分配了一个上下文模型区间，T9-11

该句法元素的所有比特位的上下文模型的上下文序号（ctxIdx）都处于这个区间中，

2．按照某一个法则为当前比特在步骤1中得到的区间中找到对应的CtxIdx。该法则对不同的句法元素各不相同。这个法则通常用表来表示，下表列出了大多数句法元素为所各比特查找CtxIdx的法则。其中CtxOffset为步骤1中所处区间起始点的偏移。但是在表中也可以看到，某些比特对应多个上下文模型，这时，需要在解码中根据前后宏块的空间相关性进一步确定。对应标准中的Table 9-29

即　当

1.索引ctxIdx 小于等于72时，是关于宏块类型，子宏块类型，预测模式，以及基于片层和宏块层的控制信息句法元素。此时，CtxIdx = Ts (步骤1中的初值)＋Ctxoffset ;

2.索引ctxIdx大于72时，是残余数据编码，其中Coded_block_pattern 句法元素的索引同上式，　其余残余数据公式为：CtxIdx = Ts (步骤1中的初值)＋Ctxoffset ＋Q（ctx_cat）

其中Q（ctx_cat）为其上下文范畴context category决定。

帧模式中，实际只用到399上句法模型的277个。

3 码流输出　

在实际过程中，编码器并不是等递进到最终区间才办出码字的，这里有两个方面的原因，一个是在编码器在递过运算过程中，如果没有输出，信道会出现空闲，形成浪费，二是输入流较长时，最终区间非常小，必须以极高的精度来记录L和R，幸运的时，在二进制编友中，　区间的上下限以二进制形式表示，每当下限的最高有效位与上限的最高有效位一样时，就可以移出这个比特。　这样的方法可以保证编码器在递　同时不断的输出码流。序列出现的可能性越大，区间就越长，确定该区间所需要的比特数就越少。

实际上，编码过程中所有变量的值都不超过1，编码器中只保存小数点后的数字仍然可以正确编码，这样我们就可以用整数运算来完成上述算法。更进一步我们可以看到，在编码过

程中随着概率区间的不断减小，上限和下限会越来越接近，一旦两者的最高有效位的值相等，这一位上的数值就不再改变。这时我们就可以将该有效位输出，同时将上限和下限左移一位，

并将上限的最低有效位置9，下限的最低有效位置0，这个过程称为归一化，实际上是将编码器中序列的概率区间放大以保证编码器的精度。然后对下一符号编码，直至序列结束。经过上述改进，算术编码就可以在实际中应用了。

但是，新的问题又出现了。在使用上述算法进行编码时，可能会遇到这样的情况：假设上、下限用6 位数表示，上限值为500004，下限值为499997，由于最高位不相等不能输出，而序列对应的区间却已经非常小了，继续编码，可能会出现上限值为500000，下限值为499999，这时无论再输入什么符号，上、下限都不再改变，因此编码器也不会有任何输出，这种情况就称为编码器下溢。我们假设上限值为500004，下限值为499997 来说明解决下溢的方法。每次循环中对上、下限的次高有效位进行检查，

如果（1）上限的次高有效位为0，（2）下限的次高有效位为9，这就表示编码器存在下溢的可能，这时将上、下限的次高有效位都去掉，并将剩余有效位都左移一位，上限的最低有效位移进一个9，下限的最低有效位移进一个0，继续对上、下限的次高有效位进行检查。如果（1）（2）两个条件仍然满足，继续上述操作，否则记下从次高有效位移出比特数m，例子中m=4，经过多次循环，上、下限的值分别等于549999 和470000，继续下一符号的编码直至有数字输出,显然编码器输出的下一个数字是4 和5 中的一个。假设输出4，编码器接着要再输出m 个9，将m 置0 后，继续对下一符号编码；相反地如果输出5，就接着输出m 个0。这个方法的实质是在编码器没有输出情况下，扩大编码区间长度以保证编码器的精度。

流　程　　　　　：

在一帧的开始的时候, 先看是否字节对齐, 没有对齐则补1, 直到字节对齐。

初始化：

CABAC的生命期是片，每个片开始，要对399种上下文模型全部过行初始化工作，初始化的步骤是：　

1，将过区间复位到[0,1]

2，为每一个上下文模型指定一个初始w 和theta

(a) h.264 为每个上下文模型定义了初始常量m,n,通过查表T9-12 ~ T 9-22 可得上下文模型相对应的m,n .

(b) 按照如下算法计算w，theta.

preCtxState = Clip3( 1, 126, ( ( m * SliceQP_Y ) >> 4 ) + n )

if( preCtxState <= 63 ) {

pStateIdx = 63 - preCtxState

valMPS = 0

} else {

pStateIdx = preCtxState - 64

valMPS = 1

}

其中clip3(a, b ,c )表示将c 的值限制在［a ,b］之间。

CABAC

首先要说明的是CABAC的生命期是SLICE,因此本篇所讲的也是一个SLICE里CABAC的流程,其次对于我们来说场模式几乎用不到,所以本文的编码流程只使用帧模式,因此实际上用到的表只有277个, 当然如果我写成399, 不是说里面所有表都用到的. 这里只是声明一下这个问题, 如果大家实际操作的时候发现模型表序号始终不过276那是很正常的. 本文参考了T264的代码, 应此一帧里只有一个SLICE. 而本文用的变量则采用标准里的变量.本文不会讲CABAC的原理, 想要了解原理请参考FTP上的<<Context-based adaptive binary arithmetic coding in the H.264AVC video compression standard>>

片级: 即以下步骤在片期间只做1次

1, 在一帧的开始的时候, 先看是否字节对齐, 没有对齐则补1, 直到字节对齐

2, 先根据SliceQP算出399个模型表里的pStateIdx和valMPS, 构成一张初始表,根据标准9.3.1.1里的公式, 同时可以参考T264_cabac_context_init函数. 这张表不要和模型表弄混,虽然都是399维的, 但我们宏块级编码过程中实际用的只是这张表, 而不是标准里的那张模型表Table 9-23, 9-23这张表是用来算由pStateIdx和valMPS构成的初始表的.

3, 然后就是初始化CABAC的初值, 下界指针,区间范围 (0x1FE)等等,可参考T264_cabac_encode_init函数.

宏块级: 以下则是每个宏块都要做一次的, 这一级中会处理很多的语法元素, 这里我只用前2个语法元素做为例子: mb_skip_flag, mb_type

4, 重整区间, 确保在区间在2⁸-2⁹内.如果这里的区间概念来自BAC,如果不明白先google算术编码,然后再看上面那个参考文献.

5, 首先mb_skip_flag标志进行CABAC编码, 由于这个元素本身就是2值的,所以直接就可以进行上下文模型选择了:

1. 由标准Table 9-24知道, P帧(这里要注意是slice_type==P, 不是mb_type)的这个元素用11号表, B帧用24号表. 可以参考T264中的T264_cabac_mb_skip函数.

2. 由于这个元素只有1个bit, 因此只要算第一个bit的ctxIdxInc就可以了, 参考标准Table 9-29, 可以看到表中11 和 24号表确实只有第一个bit是可用的, 根据9.3.3.1.1子条款可以知道这一位的ctxIdxInc可能是0, 1, 2中的一个, 在T264中简单的说就是看左边和上边宏块是否是Skip模式, 有一个是skip模式ctxIdxInc就加1. 也就是全不是skip为0, 有一个skip则ctxIdxInc就是1,全是skip则ctxIdxInc就是2.

3. 下来就是算术编码部分了, 简单提一下基本原理: 在CABAC中为了减少R_LPS = R*p_LPS 这个区间变换公式的开销, 用128个有限状态(实际可用的为126)代替p_LPS, 用rangeTab这张表代替了R_LPS, 见标准Table 9-33. 可以参考T264中的T264_cabac_encode_decision函数, 看一下具体流程:

? 获得当前bin的pStateIdx和valMPS(来自片级计算的那张初始表)

? 根据标准9.3.3.2.1子条款, 求得qCodIRangeIdx用来索引表rangeTab, 即可以求得变换后的区间了.

? 修正区间codIRange = codIRange – codIRangeLPS

? 判断当前的bin是否为最有可能的值, 如果不是(binVal!= valMPS),则更新区间下边界codILow = codILow + codIRange, 同时修正区间codIRange = codIRangeLPS;然后判断当前状态, 如果已经达到状态0, 是则把valMPS的值取反(即0,1互换), 如果还有没达到0, 则进行LPS的状态迁移,具体参看标准Table 9-34的状态迁移表中的transIdxLPS

? 如果当前的binVal值等于valMPS, 就比较简单了, 直接进行状态迁移, MPS的状态迁移也很简单, 直接数据+1就可以了(最大63),具体参考标准Table 9-34的状态迁移表中的transIdxMPS, 状态的转移其实就是修改了399个模型的初始表.

? 区间重整, 如果区间过小则输出一些bit, 这样可以不用把数据全部编码完再输出, 可以编一部分输出一些.

? 已编码的2进制值bin总数+1, 即SymCnt+1, 这个值用于字节填充, 可以参考标准9.3.4.6, 其中的BinCountsInNALunits就是指这个值,至此算术编码部分就结束了.

6, 下面就是开始编码第二个语法元素了: mb_type

1) 不同于上一个语法元素mb_skip_flag, mb_type这个语法元素本身并不是二值化的, 因此编码的第一步是进行二值化, 查阅标准Table 9-24可知mb_type的二值化方法需要参考9.3.2.5子条款, 由该条款可知mb_type的二值化相对简单, 可以直接参考表得到, 例如I片中某宏块mb_type为I_16x16时则二值化后bin0=1, 且非I_PCM则bin1=0, 亮度AC无非0系数则bin2=0, 色度有非0系数则bin3=1, 色度DC,AC都无非0系数时,bin4=0, 帧内预测模式为0时则bin5=0, bin6=0, 因此我们就得到了标准中I_16x16_0_1_0的二值化串为1001000

2) 下来是上下文模型选择, 由Table 9-24可知 I的mb_type元素起始表是3号表, 然后参考标准表Table 9-29, 计算bin串中每个bin的ctxIdxInc值,由表可知bin0要参考9.3.3.1.1.3才能确定ctxIdxInc值, 简单的说就是如果上边和左边的块模式有一个不是I_4x4则ctxIdxInc++, 这样就有0,1,2这3种可能的结果了; bin1的ctxIdx固定是276, 直接就调用了encoder_terminal模块, 即标准Figure 9-11的右分支;bin2的ctxIdxInc是3;bin3的ctxIdxInc是4,; bin4和bin5要参考9.3.3.1.2子条款, 由该条款可知如果bin3是1则bin4的ctxIdxInc=5,bin5的ctxIdxInc=6,如果bin3=0则bin4的ctxIdxInc =6,bin5的ctxIdxInc =7,由于I_16x16_0_1_0的二值化串为1001000, 其中bin3=1, 由此可知此时bin4的ctxIdxInc =5, bin5的ctxIdxInc =6; 最后由表9-29 中bin6的ctxIdxInc为7.至此二进制串所有位的表号可以用3+的ctxIdxInc来得到了.

3) 下来就是算术编码部分,这个部分于mb_skip_flag的算术编码部分步骤一样.这里要提的是, 第一步获得当前bin的pStateIdx和valMPS的模型表已经被更新了(是表被更新,但不一定是当前表), 还记得么? 是在上一个语法元素的状态转移的时候更新的.

7, 下面的语法元素就是按照标准7.3.5的语法一一编码的, 其过程和上面2个语法元素的编码过程大同小异,就不一一细述了.

……如此做完所有的宏块里的语法元素

又回到片级:

8, 写入end_of_slice_flag的标志,即完成标准Figure 9-11的左分支, 然后调用T264_cabac_encode_flush函数, 输出bit

9, 进行byte stuffing, 参考标准9.3.4.6 Byte stuffing process里的公式可以求得k, 在码流中填充k次的0x000003

10, 最后是模型更新,更换模型表(更改PB帧所用的模型表,而I帧所用的不变)