HEVC关键技术

1、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.2611和H.2632,ISO/IEC开发了MPEG-1网和MPEG4Visual",两大组织合作开发了H.262/MPEG-2Video5以及H.264/MPEG-4AVC6,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-4AVC，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、以及视频聊天、视频会议和网真系统等实

2、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(4kWk或8kMk)的出现，市场上需要比H.264/MPEG-4AVC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-4AVC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，HEVC(HighEfficiencyVideoCoding

3、)是由ITU-T的VCEG(VideoCodingExpertGroup)和ISO/IEC的MPEG(MovingPictureExpertsGroup)联合开发，合作开发组称为JCT-VC(JointCollaborativeTeamonVideoCoding)7，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应用需求，如对多种颜色空间格式的支持，SCC(ScreenContentCoding，)3D视频编码，可伸缩视频编码

4、等。ISO/IEC将会把HEVC称为MPEG-HPart2(ISO/IEC23008-2)，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* Geneifl.CorroSplit into CT UsTrahifbmri,

5、Scaling & Quantizat onln(ra-Picture Pfedidioiintra' rieir SelectionSeal ng 8 inverse Trar sfonn+ Gererai Coder ControlInput Woo SignalQuantized Trnfcrrr CoeF cientsIntia-PictureEstimationFilter Control AnalysisIntra PrecieLonDa laFilter Control图2-1 HEVC视频编码器Motion eteDecoded Picr.jrF? Suffer

6、Molten EitiTiatiunDeblocking s SAO FiltersMu-tion Compen "HeaderFomabrg &CABAG+ Odlput Video SignalCodedHitstmam2.2 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(CodingUnit),PU(PredictionUnit),和TU(TransformUnit)。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

7、的地方是CU的大小没有严格的限制，如CU大小可以是64X6432X3216X16和8X8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、以及嫡编码都是以CU为单位进行的。最大的CU称为LCU(LargestCodingUnit),最小的CU称为SCU(SmallestCodingUnit),LCU和SCU的大小一般限制为2的整数次幕且大于等于8。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。split flag = 01Last depth No split flagIDepth

8、4. N ± 4Iplrl nag = iI：64x64 (LCU)图2-2CU递归四叉树分割结构如果已知LCU的大小和递归分割的最大深度，就知道这个LCU中可能存在的CU大小。如LCU大小为64>64,最大分割深度为4,则CU大小可以为：64>64(LCU),32M2,16M6,8>8。如果LCU大小为16M6,最大分割深度为2,则CU大小为：16X16,8X8。HEVC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

9、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。PU(PredictionUnit)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64>64,则Skip模式下，PU大小也是64>

10、;64;Intra模式下，PU大小可能是64>64或32M2;Inter模式下，PU大小可能是64>64,64M2,32>64,32M2,64X16,64X48,16>64以及48>64。Skip2Nx2NIntra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(TransformUnit)作为变换和量化的基本单元，TU的大小可能会大于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,则TU大

11、小等于所在CU的大小，如果transform_unit_size_flag=1,贝UTU大小为NXN或N/2XN/2,并取决于PU的分割方式。具体如图2-4所示：transform unit size flag = 0transform unit size flag = 1(b) 2NxnU, 2NxnD, nLx2N, nRxN casetransformunitsizeflag=0transformunitsizeflag=1(a)2Nx2N,2NxN,Nx2N,NxNcase图2-4TU的分割方式CUPUSymmetric typeAsymmetric typeTU-V TU图2-5CU

12、,PU,TU之间的关系图2-5给出了CU,PU,TU之间的关系，当TUsizeflag=1时，TU的大小取决于PU的分割类型(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

13、模式，则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，以及另外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(DerivationMode)和LM(LinearMode),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。1819202122 23 24 25 26 27 28 29 30 313233Angle step, modes 18-34(b) 33种方

14、向预测角度(a) 35种预测模式2.3.2 Planar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。图2-7Planar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。图2-8改进的planar预测模式2

15、.3.2 LM预测LM(linearmodel)是HEVC新增的色度预测模式19-22,其基本思想是根据当(2-1)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：Pred/x,yReq'x,y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

16、下采样，在水平方向上二次抽样，即：RecL'x,y(Req2x,2yReq2x,2y1)1(2-2)3如式(2-3)和(2-4)所示:IRecC(i)Req'(i).i 0 AI2 ARecL '(i)i 0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利IIIRecC(i)RecL'(i)(2-3)i0i0IIRecL'RecL'(i)i0IIRecC(i)Req'(i)(2-4)i0i0I式(2-3)和(2-4)中Res和RecL'(i)分别表示和当前块相邻行/列的重建

17、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2-9LM模式下计算a和3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,2NXnD,nL>2N,nRX2N),在帧问预测时，其运动矢量也允许以非对称块为单位，这种技术称为AMP(AsymmetricMotionPartition)24-27,这样对于图像中的非对称形状的区域，使

18、用AMP能更灵活的进行运动估计。图2-10为64邓4块的非对称运动矢量分割。图2-10 64 84块白A AMP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。这种空域运动矢量预测编码方法也称为MVP(MotionVectorPrediction)。HEVC将这种方法进一步拓展，提出了AMVP(Advancedmotionvectorprediction)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

19、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(MotionVectorDifference),从而更有效的节省空间开销。如果MVD=0,则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一般会同时使用AMVP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8X8两种变换模式，HEVC增加了16X1632X325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

20、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：YHXHT(2-5)其中X为预测残差，H为变换矩阵。图2-11为HEVC的16X1由勺变换矩阵，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(16X168X34X物变换矩阵。1酊产?7%9得普64印希印fsJW5025-4 o- HG 7 I4 力，5 6 0 y 76 9 7 2 3 8 8 5二二3 7 08 8 5MMlxH0832550y()64-Q75s7光43M970M9 泅25肛4

21、J75钉647050如的中片90MSQ5(1936加版S764251 S578390乃43 - _ 一 一 _ _ _4757 6 98 3 4-90307 5 3 F - I- 4o Q 7 3 O 5 O 4 7 o 1- 6 5 Un 9 9 on K 8 8 7 7 6 EJ 4 3 2 1 -图2-1116X1变换矩阵2.5.2 可选的4X4DST对于4必大小的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。29557484H74740748429745555847429图2-124X4DST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

22、好的编码适应性。复杂度方面，4必DST和4必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4必亮度变换块中使用。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术，其中TSM(TransformSkipMode)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，如果不做频域变换，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，H

23、EVC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。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跳过变换跳过变换水TSM模式垂直方向方向h) rmnsfrurn on rows onlyd) no trajisfur

24、m图2-13TSM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，在帧问编码时，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

25、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(DeblockingFilter)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，HEVC的去方块滤波需要在较小的块内进行。2.6.2 采样点自适应补偿采样点自适应补偿(SAO,SampleAdaptiveOfset)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

26、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(BandOffset,BO)和边缘补偿(EdgeOffset,EO)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2-14EO像素分类模型在编码端，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

27、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 弁行化设计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

28、相互独立的。Tile的定义如下：(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。(6)Tiles可以和Slice在帧内共存Tiles是编码端的可选项图2-153X3Tiles分割和Slice比较，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

29、的并行性。2.7.2WPP(WavefrontParallelProcessing)HEVC是以LCU为单位并按照光栅扫描的顺序进行编解码，CABAC嫡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),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。KEYCABAC probabilitites Pixel and MV dependency Probabilties dependencyBlock(s) being encodedWPP51-54的并行化处理是从不打断LCU之间

30、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2-17WPP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HEVC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

31、行延续使用第一行第2个LCU的概率，具体如图2-18所示。IndependentTiles图2-18WPP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VideoCodecforAudiovisualServicesatpx64kbit/s,ITU-TRec.H.261,version1:November.1990,version2:March.1993.VideoCodingforLowBitRateCommunication,ITU-TRec.H.263,Nov

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