【H264/AVC 句法和语义详解】(七)：C语言实现Exp-Golomb指数哥伦布编码（解码篇）

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看过编码篇，再看这篇就容易多了。

不需多言，解码是编码的逆过程，以code_num = 5为例，我们将5通过指数哥伦布编码，编码为00110，然后再通过解码过程，将00110解码为5，这一过程也是描述子ue(v)干的事情。

同时，因为h264码流的解析，也是我们学习H.264/AVC 句法和语义所采取的路线。所以这篇文章就显得极其重要，学习了ue(v)、se(v)、te(v)的解码过程，再加上顺序读取n个比特的b(8)、f(n)、i(n)、u(n)，我们就可以完全解析出sps、pps、slice_header的全部语法元素，和slice_data的部分语法元素。当然要解析出slice_data的全部语法元素，需要加上后面要学习的CAVLC和CABAC。

所以呢，学完了这篇文章，我们相当于在h264码流解析的道路上，又向前跨了重要的一步。话不多说，我们这就开始，当然我们还是从最重要的ue(v)的解码开始。

1. ue(v)的解码实现

在理论篇我们就知道，码字和被编码的code_num之间，有一个重要的公式：

codeNum = 2^leadingzerobits − 1 + read_bits( leadingZeroBits ) （1）

其中leadingZeroBits，就是码字中，第一个比特值为1的前面0的个数，也即前导零个数。而 read_bits( leadingZeroBits )，则是从这第一个1后面，再顺序读取leadingZeroBits个比特。

比如我们以code_num = 9为例，它的码字为：0001010，前导零leadingZeroBits = 3， read_bits( leadingZeroBits )结果为末尾的两个比特：010，010的十进制值为2。这样一来：

codeNum = 2^3 - 1 + 2 = 9

整个过程可以分为：

9的指数哥伦布编码计算

也即两步：

第一步：每次读取一个比特，如果是0就继续读，直至读到1为止，
此时读取比特的个数即leadingZeroBits
第二步：从第一步读到的比特1后，再顺序读leadingZeroBits比特

然后代入公式（1）计算可得codeNum，所以ue(v)的实现为：

/**
ue(v) 解码
*/
uint32_t bs_read_ue(bs_t* b)
{
   int32_t r = 0; // 解码得到的返回值
   int i = 0;     // leadingZeroBits
   
   // 1.计算leadingZeroBits
   while( (bs_read_u1(b) == 0) && (i < 32) && (!bs_eof(b)) )
   {
       i++;
   }
   // 2.计算read_bits( leadingZeroBits )
   r = bs_read_u(b, i);
   // 3.计算codeNum，1 << i即为2的i次幂
   r += (1 << i) - 1;
   return r;
}

其中bs_read_u1()的实现也很简单，就是顺序读取1个比特：

/** 读取1个比特 */
uint32_t bs_read_u1(bs_t* b)
{
   uint32_t r = 0; // 读取比特返回值
   // 1.剩余比特先减1
   b->bits_left--;
   if (! bs_eof(b))
   {
       // 2.计算返回值
       r = ((*(b->p)) >> b->bits_left) & 0x01;
   }
   // 3.判断是否读到字节末尾，如果是指针位置移向下一字节，比特位初始为8
   if (b->bits_left == 0) { b->p ++; b->bits_left = 8; }
   return r;
}

其中第二步可分为三步：

（1）*(b->p)：取出指针(b->p)位置处的值
（2）(*(b->p)) >> b->bits_left：将第（1）步的值右移b->bits_left位，
也即将待处理比特位，移至最低位
（3）((*(b->p)) >> b->bits_left) & 0x01：按位与计算，
只保留第（2）步的最低位比特值，其他比特位全部置为0

而bs_read_u()的实现也很简单，就是顺序读取n个比特：

/**
读取n个比特
@param b 比特流操作句柄
@param n 读取多少个比特
@return 返回读取到的值
*/
uint32_t bs_read_u(bs_t* b, int n)
{
   uint32_t r = 0; // 读取比特返回值
   int i;  // 当前读取到的比特位索引
   for (i = 0; i < n; i++)
   {
       // 1.每次读取1比特，并依次从高位到低位放在r中
       r |= ( bs_read_u1(b) << ( n - i - 1 ) );
   }
   return r;
}

其中的主要步骤为循环里的读取操作，它分为四步：

（1）bs_read_u1(b)：顺序读取1个比特
（2）bs_read_u1(b) << ( n - i - 1 )：将第（1）步的值
移至r的( n - i - 1 )位，考虑到for循环 i 值每次加1，
也即将每次读到的比特值，从高位到低位顺序放在r中
（3）r | ( bs_read_u1(b) << ( n - i - 1 ) ): 
按位或计算新的r值，这样既不影响之前放在r中的比特位值，
又能将新读取的值加入进来
（4）r = ( bs_read_u1(b) << ( n - i - 1 ) )：赋值给r

2. se(v)的解码实现

因为se(v)的编码过程，是将有符号的整数，变换后使用ue(v)进行编码，因此se(v)的解码过程可分为两步：

第一步，通过bs_read_ue()，获取codeNum的值。
第二步：根据codeNum的奇偶性，计算出se(v)编码前的值

/**
se(v) 解码
*/
int32_t bs_read_se(bs_t* b)
{
   // 1.解码出codeNum，记为r
   int32_t r = bs_read_ue(b);
   // 2.判断r的奇偶性
   if (r & 0x01) // 如果为奇数，说明编码前>0
   {
       r = (r+1)/2;
   }
   else // 如果为偶数，说明编码前<=0
   {
       r = -(r/2);
   }
   return r;
}

奇偶性判断完之后的处理，为编码过程的逆处理，不熟悉的同学可以参考下编码篇。

3. te(v)的解码实现

te(v)也与编码过程一致，首先要做的就是判断语法元素的取值范围，在这里也即判断输入参数x的取值。

/**
te(v) 解码
*/
uint32_t bs_read_te( bs_t *b, int x )
{
   // 1.判断取值上限
   if( x == 1 ) // 如果为1则将读取到的比特值取反
   {
       return 1 - bs_read_u1( b );
   }
   else if( x > 1 ) // 否则按照ue(v)进行解码
   {
       return bs_read_ue( b );
   }
   return 0;
}

4. 测试

测试过程很简单，调用一次即解码一个值，但是有一点需要注意，就是假如我们用同一个bs_t句柄测试完编码后，又测试解码，需要将bs_t中的指针位置和剩余比特，重置至初始位置。

即：

// 设置比特流句柄指针至初始位置
bs->p = buffer;
bs->bits_left = 8;

本文源码地址如下（含编码和解码）：

1、GitHub：https://github.com/Gosivn/Exp-Golomb-C-implementation

2、CSDN：https://download.csdn.net/download/u011399342/10332229