HEVC編碼策略

陳心煜

摘要：High Efficiency Video Coding（HEVC）標(biāo)準(zhǔn)作為下一代主流的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，是在標(biāo)準(zhǔn)H.264的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在壓縮效率、并行處理能力以及網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性等方面有了極大的提高。本文按照HEVC的框架流程對(duì)現(xiàn)有的一些經(jīng)典技術(shù)方案進(jìn)行了收集，簡(jiǎn)要介紹其框架與技術(shù)原理，并在對(duì)其技術(shù)原理的總結(jié)過(guò)程中對(duì)比h.264編碼框架。

關(guān)鍵詞： 高效視頻編碼； 編碼單元； 預(yù)測(cè)模式

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）12-0232-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

HEVC，也稱為H.265，是繼H.264之后的下一代主流視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。HEVC可以提供2倍于H.264的壓縮率，并且支持4K與8K的超高清視頻。HEVC擴(kuò)展了編碼塊的大小，最大支持64*64的編碼單元。支持多達(dá)35種幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式。采用上下文自適應(yīng)二進(jìn)制編碼（CABAC）進(jìn)一步提高壓縮效率。目前，H.264是全球使用的主要視頻編碼技術(shù)。據(jù)估計(jì)，在全球通信網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的比特?cái)?shù)大約一半是使用H.264的編碼視頻。但是，隨著HEVC的不斷發(fā)展，主導(dǎo)地位的逐漸建立，這種局面將被打破。

本文主要介紹了HEVC視頻編碼的特點(diǎn)，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和研究。

2 HEVC視頻編碼框架

HEVC采用了與之前標(biāo)準(zhǔn)相同的混合編碼框架，包含了預(yù)測(cè)編碼，變換編碼，量化，熵編碼等核心模塊。其主要框架如圖1所示，輸入視頻幀以宏塊為單位進(jìn)行處理，編碼器選擇其最佳預(yù)測(cè)模式進(jìn)行預(yù)測(cè)，將得到的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與原始輸入數(shù)據(jù)求差，得到預(yù)測(cè)殘差。殘差經(jīng)過(guò)變換，量化后得到變換系數(shù)。變換系數(shù)經(jīng)過(guò)熵編碼得到最后壓縮的碼流。另外，量化后的變換系數(shù)會(huì)進(jìn)行反量化與反變換，得到近似的殘差，將殘差與之前的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)相加得到了重建的參考幀，用來(lái)作為后續(xù)編碼過(guò)程的參考圖像。

3 HEVC編碼預(yù)測(cè)技術(shù)介紹

3.1 靈活的編碼數(shù)據(jù)劃分機(jī)制

為了更好地表示圖像的內(nèi)容，HEVC設(shè)計(jì)了靈活的語(yǔ)法單元，包括編碼樹單元（CTU）、編碼單元（CU）、預(yù)測(cè)單元（PU）和變換單元（TU）。其中編碼樹單元是HEVC處理的基本單元，編碼單元是進(jìn)行預(yù)測(cè)、變換量化和熵編碼等處理的基本單元，預(yù)測(cè)單元是進(jìn)行幀內(nèi)/幀間預(yù)測(cè)編碼的基本單元，變換單元是進(jìn)行變換和量化的基本單元。HEVC分離出這些單元，使得整個(gè)編碼的過(guò)程更加靈活，也更符合圖像的紋理特征，有利于提高編碼的性能。

（1）編碼樹單元

在HEVC中，每幀圖像都會(huì)被劃分為若干編碼樹單元（CTU）。每個(gè)編碼樹單元由一個(gè)亮度編碼樹塊和兩個(gè)色度編碼樹塊組成。HEVC中，編碼樹單元代表了基本的處理單元。在H.264標(biāo)準(zhǔn)中，視頻序列的每幀圖像被分割成16*16的宏塊。這樣的宏塊尺寸使得H.264雖然可以用于高清視頻圖像，但效率卻不高。對(duì)于典型的高清或超高清視頻內(nèi)容，許多比16*16大得多的區(qū)域都可以用相同的預(yù)測(cè)參數(shù)來(lái)描述。因此，HEVC提供了可變大小的編碼樹單元機(jī)制，每個(gè)編碼樹單元代表2N*2N的圖像區(qū)域，N的取值可為4，5，6。相對(duì)應(yīng)的，編碼樹單元的大小為16*16，32*32，64*64，最大支持64*64的編碼樹單元，有利于編碼效率的提高。

（2）編碼單元

每個(gè)編碼樹單元可以按照四叉樹結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)編碼單元（CU）。類似于編碼樹單元，每個(gè)編碼單元包含一個(gè)亮度編碼塊和兩個(gè)色度編碼塊。編碼樹單元通過(guò)標(biāo)志split_cu_flag來(lái)判斷是否劃分為4個(gè)一樣大小的編碼單元，如果劃分了，每個(gè)編碼單元會(huì)再通過(guò)各自的split_cu_flag判斷是否劃分成子編碼單元。這種劃分可以一直遞歸下去一直到達(dá)到最小的編碼單元尺寸。在典型的編碼器設(shè)置中，編碼單元的尺寸可以從8*8到64*64。在編碼樹單元中，對(duì)編碼單元進(jìn)行編碼是按照z型的深度優(yōu)先的順序進(jìn)行的。這樣可以保證除了最上端與最左端的編碼單元外，其余編碼單元都有上端與左端的編碼單元來(lái)進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)。如圖2所示，一個(gè)64*64的編碼樹單元被分為編碼單元，編碼單元里有的又被進(jìn)一步的劃分。這種劃分可以用右側(cè)的樹形結(jié)構(gòu)表示。

（3）預(yù)測(cè)單元

預(yù)測(cè)單元是進(jìn)行預(yù)測(cè)的基本單元，包含了預(yù)測(cè)相關(guān)的所有信息，由編碼單元分割產(chǎn)生。HEVC中預(yù)測(cè)單元有3種預(yù)測(cè)模式：SKIP模式，幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，幀間預(yù)測(cè)模式。對(duì)于不同的預(yù)測(cè)模式，預(yù)測(cè)單元的分割大小也不盡相同。SKIP模式時(shí)，一個(gè)2N*2N的編碼單元所包含的預(yù)測(cè)單元分割模式只有2N*2N一種；幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式時(shí)，一個(gè)2N*2N的編碼單元所包含的分割模式包含2N*2N與N*N兩種；幀間預(yù)測(cè)模式時(shí)，一個(gè)2N*2N的編碼單元所包含的分割模式有9種，具體如圖3所示。

（4）變換單元

變換單元是進(jìn)行變換量化的基本單元。為了將預(yù)測(cè)殘差進(jìn)行變換編碼，編碼單元會(huì)分割成多個(gè)變換單元。與編碼單元本身的分割類似，編碼單元分割成變換單元時(shí)是按照四叉樹的結(jié)構(gòu)遞歸劃分。變換單元的尺寸由最大劃分深度、最小尺寸、最大尺寸三個(gè)參數(shù)限制。最小尺寸與最大尺寸取值可以從2到5，表示編碼單元的大小可以從4*4到32*32。最大劃分深度限制了編碼單元可以劃分變換單元的最大深度，例如最大劃分深度為1表示編碼單元要么不分割，要么分割成4個(gè)變換單元，不能再往下分割。如圖4所示，藍(lán)色為編碼單元，紅色為在編碼單元的基礎(chǔ)上劃分的變換單元。

3.2 幀內(nèi)預(yù)測(cè)

幀內(nèi)預(yù)測(cè)是利用圖像的空間相關(guān)性，用同一幀內(nèi)相鄰的已重建的像素來(lái)對(duì)當(dāng)前正在編碼的像素進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的差進(jìn)行編碼與傳輸。HEVC幀內(nèi)預(yù)測(cè)總共有35種預(yù)測(cè)模式，其中有33種模式屬于角度預(yù)測(cè)模式，另外兩種是平面預(yù)測(cè)模式，直流預(yù)測(cè)模式。