音视频入门基础：H.264专题（7）——FFmpeg源码中指数哥伦布编码的解码实现

news2025/1/19 12:59:53

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音视频入门基础：H.264专题系列文章：

音视频入门基础：H.264专题（1）——H.264官方文档下载

音视频入门基础：H.264专题（2）——使用FFmpeg命令生成H.264裸流文件

音视频入门基础：H.264专题（3）——EBSP, RBSP和SODB

音视频入门基础：H.264专题（4）——NALU Header：forbidden_zero_bit、nal_ref_idc、nal_unit_type简介

音视频入门基础：H.264专题（5）——FFmpeg源码中解析NALU Header的函数分析

音视频入门基础：H.264专题（6）——FFmpeg源码：从H.264码流中提取NALU Header、EBSP、RBSP和SODB

音视频入门基础：H.264专题（7）——FFmpeg源码中指数哥伦布编码的解码实现

音视频入门基础：H.264专题（8）——H.264官方文档的描述符

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一、引言

由于视频的传输和存贮是十分在乎体积的，对于每一个比特（bit）都要格外珍惜，所以H.264中用到了多种熵编码来对原本的数据进行压缩。

比如Sequence Paramater Set（sps / 序列参数集）中，seq_parameter_set_id这个属性用到了无符号指数哥伦布编码ue(v)：

offset_for_non_ref_pic这个属性用到了有符号指数哥伦布编码se(v)：

要拿到sps中的上述属性，需要对H.264码流对应的位置进行指数哥伦布编码的解码。

二、指数哥伦布编码简介

哥伦布编码（又译作格伦布编码，英语：Golomb coding）是一种无失真资料压缩方法，由数学家所罗门·格伦布在1960年代提出。其优点为易于编码与解码，目前广泛用于无损影像压缩。它是一种变长编码。

其具体原理可以参考《百度百科：指数哥伦布码》

《维基百科：格伦布编码》

《Golomb Codes》

三、FFmpeg源码中无符号指数哥伦布编码的解码实现

FFmpeg源码中通过get_ue_golomb、get_ue_golomb_long、get_ue_golomb_31等函数实现对无符号指数哥伦布编码的解码。下面以get_ue_golomb_31函数为例，进行讲解。

get_ue_golomb_31函数定义在FFmpeg源码（本文演示用的FFmpeg源码版本为5.0.3）的头文件libavcodec/golomb.h中：

/**
 * read unsigned exp golomb code, constraint to a max of 31.
 * If the value encountered is not in 0..31, the return value
 * is outside the range 0..30.
 */
static inline int get_ue_golomb_31(GetBitContext *gb)
{
    unsigned int buf;

#if CACHED_BITSTREAM_READER
    buf = show_bits_long(gb, 32);

    buf >>= 32 - 9;
    skip_bits_long(gb, ff_golomb_vlc_len[buf]);
#else

    OPEN_READER(re, gb);
    UPDATE_CACHE(re, gb);
    buf = GET_CACHE(re, gb);

    buf >>= 32 - 9;
    LAST_SKIP_BITS(re, gb, ff_golomb_vlc_len[buf]);
    CLOSE_READER(re, gb);
#endif

    return ff_ue_golomb_vlc_code[buf];
}

形参gb：既是输入型参数也是输出型参数。指向已经被初始化的GetBitContext类型的变量。执行get_ue_golomb_31函数之前必须确保已经使用init_get_bits函数进行初始化。（关于GetBitContext结构体可以参考《FFmpeg中位操作相关的源码：GetBitContext结构体，init_get_bits函数、get_bits1函数和get_bits函数分析》）

如果是使用get_ue_golomb_31函数对某个NALU（比如sps）中的属性进行读取。

执行get_ue_golomb_31函数之前：

gb->buffer需指向存放该NALU的“NALU Header + RBSP 的缓冲区”。

gb->buffer_end需指向上述缓冲区的末尾，也就是RBSP的最后一个字节。

gb->index的值需等于：当前读取到该缓冲区的第几位了（单位为bit）。要对以该位为起始的数据进行无符号指数哥伦布编码的解码。

gb->size_in_bit 的值需等于NALU Header + SODB的位数，单位为bit。

gb->size_in_bits_plus8的值需等于 s->size_in_bit 的值加 8。

执行get_ue_golomb_31函数后：

gb->index的值会加上 “读取到的无符号指数哥伦布编码后的位数”。gb的其它成员的值不变。

get_ue_golomb_31函数返回值为：对gb->index的位置进行无符号指数哥伦布解码后得到的数据。

注意：get_ue_golomb_31函数有读取范围的限制！！！只能读取0到31的数据，所以如果get_ue_golomb_31函数的返回值大于31表示出错了。

所以FFmpeg源码中（源文件libavcodec/h264_ps.c）对sps进行解码的函数ff_h264_decode_seq_parameter_set中有这样的一段逻辑：

#define MAX_SPS_COUNT          32

int ff_h264_decode_seq_parameter_set(GetBitContext *gb, AVCodecContext *avctx,

                                     H264ParamSets *ps, int ignore_truncation)

{//...

    sps_id    = get_ue_golomb_31(gb);

    if (sps_id >= MAX_SPS_COUNT) {
        av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "sps_id %u out of range\n", sps_id);
        goto fail;
    }

//...
}

如果读取到的sps_id值不小于32，表示out of range了。

如果想要更大的读取范围可以用get_ue_golomb函数和get_ue_golomb_long函数。它们的用法跟get_ue_golomb_31函数一样，只是读取范围更大而已。