H.264学习笔记5——熵编码之CAVLC
H.264中，4x4的像素块经过变换和量化之后，低频信号集中在左上角，大量高频信号集中在右下角。左边的低频信号相对数值较大，而右下角的大量高频信号都被量化成0、1和-1；变换量化后的残差信息有一定的统计特性和规律。
CAVLC（Context-based Adaptive Variable-Length Code）:基于上下文的可变长度编码，是H.264中进行4x4像素块进行熵编码的方法，基本(baseline)档次中只能使用CAVLC，只有主要档次和扩展档次才能使用CABAC（见笔记：熵编码之CABAC）。
一、对于经过Zigzag扫描（Z扫描）后的4x4像素残差，编码过程包括：
A、非零系数数目(TotalCoeffs)和拖尾系数数目(TrailingOnes)的编码：
拖尾系数：就是指Z扫描后，末尾高频信号中出现连续1或-1的个数（中间可以隔任意多个0），拖尾系数最多有5个。当连续1或-1的个数超过3个，只有最后3个1或-1是拖尾系数，其他的当作普通的非零系数。
TotalCoeffs和TrailingOnes通过查表方式进行编码，H.264针对TotalCoeffs和TrailingOnes，提供了4张变长表和1张定长表（部分见附表9-5）。编码表的选择是由NC确定的，NC的值是由上下文信息确定的。对于色度直流信号，NC=-1；对于其他的NC，根据当前块左边4x4块和上面4x4块的非零系数的个数A和B决定。如表一：其中X表示该块与当前块属于同一slice且可用。根据NC选择编码表的策略如表二：
| A（左边块） | B（上面块） | NC |
| X | X | (A+B)/2 |
| X | — | A |
| — | X | B |
| — | — | 0 |
| NC | 编码表编号 |
| 0，1 | 变长表1 |
| 2，3 | 变长表2 |
| 4，5，6，7 | 变长表3 |
| >=8 | 定长表 |
| -1 | 变长表4 |
通过NC确定所选择的表之后，将编码的二进制输出。
B、每一个拖尾系数的符号正负性编码（按照Z扫面结果的逆序编码）：
按照逆序对每一个拖尾系数的符号进行编码，用0表示1（正）、1表示-1（负），将编码结果输出
C、除拖尾系数外的每一个非零系数幅值(Level，包含正负号信息)编码（按照Z扫描结果的逆序编码）：
拖尾系数幅值的编码包括前缀Level_prefix和后缀Level_suffix。另外编码过程中suffixLength基于上下文信息，根据Level_suffix和Level实时更新。具体过程如下：
1、设置初始SuffixLength：
当TotalCoeffs>10且TrailingOnes<=1时，SuffixLength设为1；否则设为0；
2、将有符号的Level转换成无符号的LevelCode：
若Level > 0：LevelCode = (Level << 1)-2;
若Level < 0：LevelCode = -(Level << 1) - 1;
这样解码时，就可以根据LevelCode的奇偶性判断Level的正负性，从在根据LevelCode解码出有符号的Level。
3、计算Level_prefix 和 Level_suffix：
Level_prefix = LevelCode / (1 << SuffixLength);
Level_suffix = LevelCode% (1 << SuffixLength);
4、编码Level_prefix和Level_suffix：
编码Level_prefix是通过查标准表9-6（部分见附表9-6），编码得到的是前缀码，所以解码时可以即使、唯一译码。Level_suffix的编码就是Level_suffix的二进制无符号形式。然后将Level_prefix和Level_suffix的编码结果依次输出，但当SuffixLength=0时，没有Level_suffix，不需要输出。
5、更新SuffixLength的值，回到步骤2继续编码下一个非零系数。更新过程可以用下面代码表示：
1 if(SuffixLength == 0) 2 SuffixLength++; 3 else if (abs(Level) > (3 << (SuffixLength -1)) && SuffixLength < 6) 4 SuffixLength++;
即：当SuffixLength为0时，SuffixLength加1；当SuffixLength达到6之后不再更新SuffixLength；当SuffixLength在1和6之间，如果当前已编码的非零系数的绝对值(abs(Level))大于给定的阈值S，那么SuffixLength增1，其中阈值S的大小为：S = 3 * 2 ^ (SuffixLength-1) = 3<<(SuffixLength-1)。
D、最后一个非零系数前0的数目(TotalZeros)编码：查找标准表9-7（部分见附表9-7）~9-9
E、每一个非零系数前连续0的数目（RunBefore）编码（按照Z扫面结果的逆序编码）：查找标准表9-10（部分见附表9-10）
编码过程中，ZerosLeft表示当前编码非零系数左边所有0的个数，对于最后一个（逆序的最后一个）非零系数前0的个数不需要编码。
二、例如：对于4x4的残差块，如下图：
| 0 | 3 | -1 | 0 |
| 0 | -1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
经过Z扫描得到序列：0，3，0，1，-1，-1，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0。
对该序列进行编码如下：
1、初始值设定：
TotalCoeffs = 5；TrailingOnes = 3；TotalZeros = 3；假设 NC = 1；SuffixLength = 0；最终编码输出码流为out。
2、编码TotalCoeffs和TrailingOnes：
查附表9-5得，TotalCoeffs = 5、TrailingOnes = 3和0 <= NC <2时；编码结果为：0000 100。
此时out = 0000 100。
3、编码拖尾系数符号：
拖尾系数为1,-1,-1（扫描逆序），对应的符号编码为0,1,1。所以此时out = 0000 1000 11。
4、编码每个非拖尾非零系数的幅值Level：
需要编码的非零系数有1，3（Z扫描逆序），初始i=2，过程如下：
Level[i--] = 1; 得到LevelCode = 0，Level_prefix = 0，没有Level_suffix(因为SuffixLength=0)，查表9-6得编码结果为1。此时out = 0000 1000 111。
然后更新SuffixLength，SuffixLength++得SuffixLength=1；
Level[i--] = 3;得到LevelCode=4,Level_prefix = 2,Level_suffix = 0,查表9-6得Level_prefix编码结果为001，然后Level_suffix的二进制表示为0。
out = 0000 1000 1110 010。此时i=0，此步骤编码结束。
5、编码TotalZeros：查表9-7得编码结果为编码结果为111，此时out = 0000 1000 1110 0101 11。
6、编码每一个非零系数前的连续o的数目：有四个非零系数前连续0的个数要编码，初始i=5。查表9-10的编码过程如下：
ZerosLeft = 3， RunBefore = 1，Level[i--]=1，编码结果为10；
ZerosLeft = 2， RunBefore = 0，Level[i--]=-1,编码结果为1；
ZerosLeft = 2， RunBefore = 0，Level[i--]=-1,编码结果为1；
ZerosLeft = 2， RunBefore = 1，Level[i--]=1,编码结果为01；
ZerosLeft = 1， RunBefore = 1，Level[i--]=3,此时对应第一个非零系数，不需要编码；
最后输出结果为 out = 0000 1000 1110 0101 1110 1101。
相应解码如下：读入out = 0000 1000 1110 0101 1110 1101
1、解码TotalCoeffs和TrailingOnes：
初始NC=1，根据表9-5，可以从0000100中解码得到TotalCoeffs=5；TrailingOnes=3。这里因为表9-5的编码可以及时、唯一译码，所以遇到的第一个合法的01串就是TotalCoeffs和TrailingOnes编码的结果。
2、解码拖尾系数：此时out = 0 1110 0101 1110 1101
由TrailingOnes=3知，有3个拖尾系数，所以对应的正负号编码为011，所以3个拖尾系数是1，-1，-1。所以解码输出 in是 -1,-1,1（因为编码是逆序的）。
3、解码除拖尾系数外的非零系数：此时out = 10 0101 1110 1101
由TotalCoeffs=5；TrailingOnes=3知除拖尾系数外，还有两个非零系数。初始SuffixLength=0，所以根据表9-6（及时、唯一译码）解码如下：
SuffixLength=0 查表得比特串为1，level_prefix=0，LevelCode=0（偶数），Level=1，没有Level_suffix；(消耗码流0)
SuffixLength=1 查表得比特串为001，level_prefix=2，LevelCode=4（偶数），Level=3，Level_suffix=0；（消耗码流0010）
所以输出 in是 3，1，-1，-1，1
4、解码每个非零系数前0的个数：此时out = 1 1110 1101
TotalCoeffs = 5；根据表9-7解码得 TotalZeros=3，对应码流：111。
然后查表9-10，得到每一个非零系数前连续0的个数，过程如下：此时out = 10 1101
TotalZeros=3，根据码流查表得10对应 RunBefore=1，in是 3，1，-1，-1，0，1
TotalZeros=3-1=2，根据码流查表得1对应 RunBefore=0，in是 3，1，-1，-1，0，1
TotalZeros=2-0=2，根据码流查表得1对应 RunBefore=0，in是 3，1，-1，-1，0，1
TotalZeros=2-0=2，根据码流查表得01对应 RunBefore=1，in是 3，0，1，-1，-1，0，1
TotalZeros=2-1=1，out码流解码完，所以TotalZeros=1表示3之前的0数目，in是 0，3，1，-1，-1，0，1
然后在结尾补0组成16个残差系数，得解码结果0，3，1，-1，-1，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0
三、附表：
