HEVC关键技术

1、实用文档文案大全HEVC 关键技术2.1 引言视频编码标准主要由两大国际组织开发，即ITU-T(国际电信联盟电信标准化部门)和 ISO/IEC(国际标准化组织/国际电工委员会)，ITU-T 开发了 H.261和H.263，ISO/IEC 开发了 MPEG-1和 MPEG4 Visual，两大组织合作开发了H.262/MPEG-2 Video以及 H.264/MPEG-4 AVC，这两个合作开发的视频标准 得到了广泛的应用，尤其是 H.264/MPEG-4 AVC，其应用领域包括高清卫星电视 广播、有线电视、视频采集/编辑系统、便携摄像机、视频监控、网络和移动互 联网视频传播、蓝光光盘、以及视频

2、聊天、视频会议和网真系统等实时视频应用 场景。H.264/MPEG-4AVC 基本覆盖了所有数字视频应用领域并替代了其他一些 视频标准。然而，随着服务多样化的增加、高清视频的流行、以及超高清格式(4k 2k或 8kMk)的出现，市场上需要比 H.264/MPEG-4 AVC 性能更优的视频编码标准。另外，随着移动设备和平板电脑的兴起，人们对视频点播服务需求量不断增大， 对视频质量和分辨率要求也不断提高，从而对现有网络带宽造成很大的威胁和挑 战。因此，针对这些应用，市场需要比H.264/MPEG-4 AVC 更高效的视频编码标准。在这样的背景下，HEVC 作为新一代的视频编码标准应运而生，HEV

3、C(HighEfficiency Video Coding)是由 ITU-T 的 VCEG(Video Coding Expert Group)和 ISO/IEC的 MPEG(Moving Picture Experts Group)联合开发，合作开发组称为 JCT-VC(JointCollaborative Team on Video Coding)，JCT-VC 从 2010 年 4 月开 始第一次会议，从世界各大公司、高校和研究机构征集新标准的提案，在2013年 1 月发布了 HEVC 的第一版，确定了 HEVC 的基本框架和内容，之后 HEVC 仍会不断扩展其内容和功能以适应不同场景的

4、应用需求，如对多种颜色空间格式 的支持，SCC(Screen Content Coding) 3D 视频编码， 可伸缩视频编码等。 ISO/IEC 将会把 HEVC称为 MPEG-H Part2 (ISO/IEC 23008-2)，ITU-T 可能会把 HEVC 称 为 H.265。HEVC 的设计目标是在同等图像质量下，比 H.264/AVC 的比特率降低 50%, 其设计侧重点主要有两个方面，即针对高分辨率视频和增加并行处理结构的运用。 和以前的 ITU-T 和 ISO/IEC 开发的视频标准一样，HEVC 采用了基于分块结构的 编码流程，图 2-1 为 HEVC 编码器结构图，其中包括块

5、分割、帧内预测、帧间预 测、运动估计/运动补偿、正变换/反变换、量化/反量化、熵编码、以及环路滤波实用文档文案大全等。图 2-1 HEVC 视频编码器2.2 基于四叉树策略的编码单元分割和传统视频编码标准一样，HEVC 先将一帧数据分割为若干二维对称结构的 编码单元， 再逐个进行处理。 HEVC 定义了 3 种块分割单元， 分别是 CU (Coding Unit) ，PU(Prediction Unit)，和 TU(Tra nsform Un it)。CU 是最基本的二维对称结构编码单位，和H.264/AVC 中的“宏块”作用相似，唯一不同的地方是 CU 的大小没有严格的限制，如 CU 大小可

6、以是 6404、 32X32、16X16、和 88。除了以帧为单位的环路滤波外，其他编码环节如帧内/帧间预测、变换、量化、以及熵编码都是以 CU 为单位进行的。最大的 CU 称为LCU (Largest Codi ng Uni t)，最小的 CU 称为 SCU (Smallest Cod ingUn it)，LCU 和SCU 的大小一般限制为 2 的整数次幕且大于等于 &一帧图像可以认为是由 互相不重叠的 LCU 组合而成，由于 CU 是二维对称结构，对 LCU 的进一步分割是以递归四叉树方式进行的。具体如图2-2 所示实用文档文案大全如果已知 LCU 的大小和递归分割的最大深度，就知道这个

7、LCU 中可能存在 的 CU大小。如 LCU 大小为 6464，最大分割深度为 4，则 CU 大小可以为： 6464(LCU),32X32, 16X16, 88。如果 LCU 大小为 16X16,最大分割深度为 2, 则 CU 大小为：16X16, 8X3oHEVC 不限制编码单元大小的设计，有利于提高对高分辨率视频的编码效率， 如果一帧图像某一区域数据分布比较均匀，使用较大的CU 来编码(H.264/AVC的宏块大小为 16X16)，会减少编码单元的数量，从而节省一些不必要的开销。 这些结论在文献8-11中进行了详细的论证，类似的方法在 MPEG 和 VCEG 的提 案12-14中也曾提出过

8、。PU (Prediction Unit)是 HEVC 预测环节的基本编码单元，所有和预测相关 的操作都是以 PU 为单位的，如帧内预测的方向、帧间预测的运动矢量差和参考 帧索引、运动矢量预测、以及运动补偿都是基于 PU 进行处理的。PU 的大小受限于其所在的 CU 的大小，即在 CU 分割结束后，才开始考虑 PU 的处理。在 HEVC 中有 3 种预测类型：Skip, Intra, Inter。预测类型是影响 PU 分割的主要因素，具体如图 2-3 所示。如果 CU 的大小是 64X54,贝 U Skip 模 式下，PU 大小也是 64X64; Intra 模式下，PU 大小可能是 64X6

9、4 或 32X32; Inter 模式下，PU 大小可能是 64X34 , 64X32 , 32X34, 32X32, 64X6, 64X48, 16X64 以及 48X54oDepth t N 32h1右MiM轴-DDertn = 0LN - 64cuspill naq - 1LJKIdepth rlo phfDepth = 4. N =42N图 2-2 CU 递归四叉树分割结构64x64(LCU8x8(SCU)实用文档文案大全图 2-3 三种预测模式下 PU 的分割除了 CU 和 PU, HEVC 还定义了 TU (Transform Unit)作为变换和量化的 基本单元，TU 的大小可能

10、会大于 PU，但不会超过所在 CU 的大小，TU 必须是 二维对称的。TU 的 大 小 取 决 于 transform_unit_size_flag 的 值 以 及 PU 的 分 割 方 式 ，如 果transform_unit_size_flag=0 ， 贝 U TU 大 小 等 于 所 在CU 的 大 小 ， 如 果transform_unit_size_flag=1，则 TU 大小为 NXN 或 N/2 XN/2，并取决于 PU 的分割 方式。具体如图 2-4 所示：图 2-4 TU 的分割方式SkipIntraIn ter2Nx2N2NxNNx2NNxN2NxnDnLx2NnRx2NN

11、/2transform unit size flag = 0transform unit size flag = 1(a) 2Nx2N, 2NxN, Nx2N, NxN case(b) 2NxnU, 2NxnD, nLx2N, nRxN case2Nx2N2Nx2NNxN2NxnUtransform unit size flag = 0N/2transform unit size flag = 1实用文档文案大全CUCU , PU , TU 之间的关系图 2-5图 2-5 给出了 CU , PU, TU 之间的关系，当 TU size flag=1 时，TU 的大小 取决于 PU 的分割类型(

12、是否对称)，非对称 PU 分割模式下，TU 需要做更深 的分割，这种设计的目的是为了避免 TU 跨越 PU 的边界。CU、PU、TU 三种单 元相互独立又互有联系，这种设计使块的分割更符合图像的纹理特征，也使编码、 预测、变换等各个环节更加灵活，有利于各个单元更好的完成各自的功能。2.3 帧内预测2.3.1 帧内预测模式HEVC 的帧内预测和 H.264/AVC 类似，也是根据相邻块的数据按照各种方 式进行预测重建。当编码高清视频时，HEVC 会采用较大的编码单元，如果仍然 使用H.264/AVC 的预测模式，贝 U 不足以全面描述所有可能的预测匹配模型。因 为，为了使帧内预测更准确，HEVC

13、 对亮度分量的预测模式多达 35 种(包括 DC， Planar15-18两种非方向性预测，以及另夕卜 33 种方向性预测)，具体如图 2-6 所示。 色度分量的预测模式有5 种，即水平、垂直、DC、DM(Derivation Mode)和LM(Linear Mode)，其中 DM 模式是根据亮度预测模式来决定色度预测模式。LM模式根据相邻块的亮度和色度线性模型关系来预测当前块的色度，详见 2.3.2 节。实用文档文案大全图 2-7 Planar 预测模式提案16对 planar 模式做了进一步的改进，首先最右下角的像素不再传送给解码端，而是通过相邻块重建像素插值得到。 另外把双线性插值改为分

14、别作水平和垂直方向的线性插值，然后再求平均值，具体如图2-8 所示。18192021222324 25 26 27 282930313233171615141312111090 = Pla nar1 = DC(a) 35 种预测模式2.3.2 Pla nar 预测模式图 2-6帧内预测模式Planar 预测模式适用于图像平滑内容的预测重建，JCT-VC 的提案15首先提出这种预测方案，具体如图 2-7 所示，首先把待预测块的右下角像素值写入码 流,然后根据该值和相邻块重建像素来插值最右侧列和最下面行，然后通过双线性插值的方法得到其他像素的预测值。An gle step, modes 18-34

15、-25sedo mpeLSor an A(b) 33 种方向预测角度实用文档文案大全2.3.2 LM 预测LM(linear model)是HEVC新增的色度预测模式19-22,其基本思想是根据当 前块的亮度重建信号来预测色度信号，具体计算方法如式(2-1)所示：PredCx, y -：Reqx, y：(2-1)其中 Predcx,y为当前块的色度预测信号，Reo_x,y为当前块的亮度重建信号。a和B是根据相邻块重建亮度和色度信号的关系推导出来的。如果视频源是 YUV420 格式，则色度信号的采样率是亮度信号的一半，在 使用LM 预测时，色度和亮度信号就存在 1/2 个像素的相位差。因此，需要

16、先将 亮度信号下采样，使其和色度信号的大小和相位相匹配。在 LM 预测方式中，对 重建亮度信号在垂直方向上下采样，在水平方向上二次抽样，即：RecLx, y =(Req2x,2y Req2x,2y 1)1(2-2)通过使用最小二乘法，可以拟合出下采样后的重建亮度信号和色度信号之间的关 系，从而推导出式(2-1)的参数a和俟如式(2-3)和(2-4)所示:IIIi Recc(i) RecL(i)，Recc(i)、Req (i)i =0i =0_ i =0_I、2 Recc(i)-：* Req (i)(2-3)(2-4)I、Req(i) Req(i)岸Req(i)i =0,i =0图 2-8 改进

17、的 planar 预测模式实用文档文案大全i i I实用文档文案大全式(2-3)和(2-4)中Recc(i)和Reo_(i)分别表示和当前块相邻行/列的重建色度信号和 重建下采样亮度信号。I 为参与计算的相邻块采样点总数，如图 2-9 所示，只有 当前块左侧和上侧标为灰色的相邻采样点参与计算。图 2-9 LM 模式下计算a和B所用采样点文献22中列举了 LM 模式的实验数据，在 Intra 配置下，启用 LM 模式可使Y,Cb,Cr 的 BD-rate 数据分别提高 0.8%, 7.8%和 5.9%。2.4 帧间预测由于 HEVC 在 PU 分割时可能使用 4 种非对称的方式(2NXnU, 2

18、NXnD, nL&N,nRX2N),在帧间预测时，其运动矢量也允许以非对称块为单位，这种 技术称为AMP(Asymmetric Motion Partition)24-27，这样对于图像中的非对称形状 的区域，使用AMP 能更灵活的进行运动估计。图 2-10 为 6404 块的非对称运动 矢量分割。传统视频编码器对运动矢量的编码一般都采用预测编码。 如 H.264/AVC 中， 会把相邻块的运动矢量的中值作为当前块的 MV 预测值，并将 MV 预测值和实 际值的差编码。Recc、-(:F.:. 12N图 2-10 64 為 4 块的 AMP 分割实用文档文案大全这种空域运动矢量预测编码方法也称

19、为MVP(Motion VectorPrediction)。HEVC 将这种方法进一步拓展，提出了 AMVP (Advaneed motion vectorprediction)技术24-31, HEVC 中 MV 预测候选块不局限于空域，也在时域 范围内寻找，这些候选块组成一个集合，而AMVP 方案会在此集合中寻找最优的 MV 匹配，然后只需要编码最优匹配块的索引、参考帧下标、以及 MVD(MotionVector Differenee)，从而更有效的节省空间开销。如果 MVD=0，贝 U HEVC 就会 启用merge 模式，使当前块和候选块共用一个运动矢量。HEVC 般会同时使用 AMV

20、P 和merge,以获得最优的 MVP 编码效率。2.5 频域变换2.5.1 大尺度变换H.264/AVC 只有 4X4 和 8$两种变换模式，HEVC 增加了 16X16、32X32 两 种更大尺度的变换23。对于高清视频，使用更大尺度的频域变换会得到更好的 编码效果，因为在高清视频中，宏块所表示的内容一般是某一物体的一部分或背 景的一小部分，宏块内大多是都是纹理模式均匀，颜色变化较小的内容。因此， 使用较大尺度的变换将会使频域能量更集中，从而减少量化误差。二维DCT 变换是通过计算水平和垂直方向的一维 DCT 实现的。其计算方式可表示为：丫二 H X H(2-5)其中 X 为预测残差，H

21、为变换矩阵。图 2-11 为 HEVC 的 16X16 的变换矩阵，为 了简便，HEVC 只指定了 32X32 尺度的变换矩阵，通过下采样而得到其他尺度 (16X6，8X3，4X4)的变换矩阵。6454640-50S91 X-7575IS-S95043-9057呼-R770g-80HO-9-70Rr-25-57讪-4?443S33636S3-S3殆3b83S3-3b-36K33625-709-SO439-5787-H?57-9-43SO-9070-255075K9-7550_ idB95W-2543-5770-NOS7-9090-87SO-70574325-9图 2-11 16X6 变换矩阵实

22、用文档文案大全2.5.2 可选的 4X4 DST对于 4X4 大小的 TU , HEVC 提供了可选的基于 DST 变换模式32-36,其变换 矩阵如图 2-12 所示。-2974557474084 -74H =84-2974555574-29 _图 2-12 4X4 DST 变换矩阵对于离块边界越远残差振幅越大的区域， DST 具有更好的编码适应性。复 杂度方面，4X4 DST 和 4X4 DCT 相差不大，但 DST 可以节省大约 1%的比特率。另外，HEVC中 DST 变换只限于 4X4 亮度变换块中使用。2.5.3 TSMHEVC 为了提高屏幕视频编码的效率，也征集考察了一些其他编码技

23、术，其 中TSM(Transform Skip Mode)37-42就是被 HEVC 采纳的相关技术之一。研究表明, 由于屏幕视频内容的各向异性特征，使用传统的Hybrid 框架视频编码器并不能得到最优的编码效果。对屏幕图像中的文本、图形、色调单一的背景等区域，女口 果不做频域变换，而直接对预测残差编码效果会更好。对于帧内编码，由于块之间的相关性没有帧间编码高， 其预测残差值一般比 较大，HEVC 中尺度越大的 CU 越是如此。因此使用 2D 频域变换有利于能量的 集中。然而，如果视频源是屏幕图像，其内容多是重复性无损匹配数据，这样帧 内预测残差就会比较小或为零， 这种情况下， 如果仍然使用频

24、域变换， 就会减少 甚至降低编码效率。 对于这些 TU，TSM 模式下 HEVC 会考虑跳过变换环节， 在后续的 CABAC 熵编码阶段，适当的修改残差数据的统计特性，可以得到更好 的编码结果。TSM 定义了跳过变换的 4 种方式，详见图 2-13。实用文档文案大全图 2-13 TSM 模式运动补偿残差信号一般在垂直和水平两个方向上表现出不同的特性，因此， 在帧间编码时，HEVC 可根据具体情况选择不同的 TSM 模式跳过水平/垂直变换。 从图 2-13 可以看出，TSM 模式也包含了同时启用水平和垂直变换的选择。实验 结果表明，对于某些屏幕视频，启用TSM 后，BD-rate 性能最高可提升

25、 30%。这种方案的另一个优点是对 HEVC 编码器修改少，在不增加额外时间空间的开 销的前提下，有效提高了对屏幕视频的编码性能。2.6 环路滤波2.6.1 去方块滤波由于频域变换量化产生的误差，以及运动补偿造成的预测误差，基于块结构 的编码在经过预测/变换/量化步骤后会产生块效应，因此，混合视频编码器会采 用相应的措施消除块效应， 一般做法是在块的边界进行滤波处理， HEVC 的去方 块滤波(Deblocking Filter)基本沿用了 H.264/AVC 中的方法，如滤波方式，边 界强度的决策机制等，区别只在于HEVC 采用了更灵活的块分割方案，由于 TU 可能不在 PU 的范围内，HE

26、VC 的去方块滤波需要在较小的块内进行。2.6.2 采样点自适应补偿3严 门fTSM 模式垂直方向水方向TS0启用变换启用变换TS1启用变换跳过变换TS2跳过变换启用变换TS3跳过变换跳过变换hi trantonnnn rmv s unlyLI)2D triuihloimdr tioLniTLsfcKiinc) transfbnn on columnsonly实用文档文案大全采样点自适应补偿(SAO, Sample Adaptive Offset)是 HEVC 中出现的新技术43-46,该环节在去方块滤波之后，其基本原理是根据重建图像和原始图像的差异， 对重建图像根据实际情况做自适应的补偿，以

27、减少重建图像和原始图像的失真度, 从而提高重建图像质量，大量实际数据显示，SAO 可以提高 2%6%的编码性能， 编码复杂度增加了 2%左右。SAO 是以 LCU 为单位进行处理的，采样点补偿的方式分为带状补偿 (Band Offset，BO)和边缘补偿(Edge Offset, E0)两种，带状补偿根据像素值强度划 分为若干条带，每个条带内部使用相同的补偿值。 边缘补偿主要用于对图像中的 像素边缘进行补偿，通过将当前像素点和相邻两个像素点比较，从而获得该像素点的类型，并根据类型进行对应的补偿校正。边缘补偿的相邻像素点位置有4种情况，具体如图 2-14 所示：图 2-14 EO 像素分类模型在

28、编码端，首先以帧为单位进行 SAO 的初始化，通过分析重建数据和原始 数据之间的失真度，配置 SAO 状态参数，并决定 SAO 类型。然后对每个 LCU 进行 SAO 处理。这种先验信息收集整理的过程只在编码端出现，在解码端，每 个 LCU 的 SAO 处理都是独立的，不需要访问帧缓存数据就能解码。2.7 并行化设计2.7.1 Tiles在混合编码框架内，一个 Slice 之内的 LCU 之间编码具有很强的相关性，如 帧内预测、MV 预测、CABAC 的概率等，都需要参考相邻 LCU 的数据。为了使 编解码能并行进行，从而更充分的利用多处理器的并行计算能力，以及达到最优 的负载平衡，HEVC使

29、用了名为 Tiles 的新技术47-50。首先把图像分割成若干个 由 LCU 组成的矩形区域，具体如图 2-15 所示，每个矩形区域称为 Tile, Tile 之 间的编码是相互独立的。Tile 的定义如下：nCC实用文档文案大全(1)Tile 必须是矩形形状Tile 内包含固定个数的 LCU(3) Tile 的宽和高放在序列参数集或图像参数集中(4) Tile 之间编解码无相关性，这点和Slice 类似(5) 使用 Tiles 并不改变码流的光栅扫描传送顺序。Tiles 可以和 Slice 在帧内共存(7) Tiles 是编码端的可选项图 2-15 3X3 Tiles 分割和 Slice 比

30、较，使用 Tiles 具有更好并行性。因为 Tiles 是矩形分割，而 Slice 必须是以光栅扫描方式顺序的 LCU 组成。另外，在一帧内使用过多的 Slice，就 会增加 Sliceheader 的开销。因此，使用 Tiles 能以更小的代价获得更灵活的图像 分割，以及更好的并行性。2.7.2 WPP(Wavefr ont Parallel Processi ng)HEVC 是以 LCU 为单位并按照光栅扫描的顺序进行编解码，CABAC 熵编 码的概率模型也随着编码过程更新。因此， HEVC 的 LCU 之间具有很大的编码 相关性。具体如图 2-16 所示。为了编码当前 LCU (X )，

31、则必须先得到 X 的左、 上、左上、右上 LCU 的相关信息，这样才能进行帧内预测和 MV 预测。实用文档文案大全WPP51-54的并行化处理是从不打断 LCU 之间的相关性的角度进行的，具体 如图2-17 所示，每一个 LCU 行使用一个单独的线程的进行编解码（图 2-17 中 共使用了 4个线程），考虑到 LCU 之间的相关性，线程之间的编码异步次序至少 要错开两个 LCU，这样就可以使时域和空域预测得到足够的相邻LCU 数据。图 2-17 WPP 方案由于 CABAC 的上下文概率模型是按光栅扫描的顺序逐行更新的，按照这种 方式，在第一行的线程没有结束前，第二行的线程是无法启动的。在 H

32、EVC 的 早期版本中，曾经尝试在第二行重新初始化 CABAC 概率，但这样做会造成编码 性能的降低，全 I 帧模式BD-rate 降低 0.7 %，随机访问模式降低 5.9%,低延迟 模式降低 7.8%。因此，提案53中提出，第二行延续使用第一行第 2 个 LCU 的 概率，具体如图 2-18 所示。KEYCABAC probabilititesPixel and MV depe ndencyProbabilties dependencyBlock(s) being encoded实用文档文案大全Independent TilesTile1Tile 2a1a2fa4Ic2c3bl*b2 /b

33、3d2d336a7| C4c5厂b5 b6b?b8l Id4d5图 2-18 WPP 非首行 CABAC 概率设定从图 2-17可以看出 WPP和 Tiles这两种并行化技术是兼容的， 可以同时使 用，实验结果也表明这两种技术可以在多处理器环境下，明显减少编解码时间。参考文献Video Codec for Audiovisual Services at px64 kbit/s , ITU-T Rec. H.261,version 1: November.1990, version 2: March. 1993.Video Coding for Low Bit Rate Communicatio

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