VVC視頻編碼標準QTBT塊劃分方式

付文杰 黃建秋

【摘? 要】近年來，隨著科學技術的不斷發展，人們生活水平不斷提高，隨之而來的精神文化需求也越來越高。傳統的信息獲取方式如文本、聲音、圖像等已經滿足不了人們的需求，視頻、高清視頻甚至是超高清視頻逐漸成為主流媒體。視頻分辨率的不斷提高，給多媒體技術的硬件及軟件提出了更高的要求。在這樣的時代背景下，VVC（Versatile Video Coding）應運而生。該編碼標準相比于上一代視頻編碼標準HEVC來說，率失真性能提高了40%以上，且在針對高清、超高清視頻，以及360o全景影像的編解碼方面有更好的性能。本文主要對比了HEVC編解碼標準介紹VVC標準QTBT塊劃分方法。

【關鍵詞】視頻編解碼標準;VVC;超高清視頻;360o全景影像;QTBT

1.視頻編碼技術簡介

自20世紀80年代視頻編解碼標準誕生以來，主要分為兩個系列：MPEG系列和H.26X系列。傳統的視頻壓縮編碼技術有很多種，其中包括預測編碼、變換編碼、矢量量化、熵編碼等技術以及將上述的幾種編碼技術組合起來的經典的混合編碼技術。現有的視頻編碼標準都是采用基于塊的預測、變換、量化、熵編碼相結合的混合編碼框架。

2010年10月，高性能視頻編碼標準H.265/HEVC應運而生。作為近年來的主流視頻編解碼標準，HEVC主要的視頻處理過程有：編碼塊劃分、幀內/幀間編碼模式選擇、運動估計、運動補償、殘差變換、量化、編碼等。無論是幀內編碼還是幀間編碼方式都需要先將待處理圖像進行編碼塊的劃分，編碼塊的劃分方式一定程度上決定了編碼端的復雜度，進而決定了編碼器的率失真性能。本文主要介紹VVC編解碼標準相比于HEVC編碼標準的編碼塊劃分方式的改進點。

2.VVC與HEVC塊劃分方式對比

2.1 HEVC塊劃分方式

在HEVC中，最大編碼塊的尺寸為64*64，最小編碼塊尺寸為8*8。根據圖像紋理復雜度及編碼需要，按照圖1所示四叉樹（QT，quaternary tree）的劃分方式進行編碼塊的劃分，并按照zig-zag（Z字形）順序進行塊處理。在進行四叉樹劃分的過程中，所有的編碼單元CU塊都是正方形。

預測單元PU是進行幀內/幀間預測的基本單元。在進行預測編碼時，根據圖像的特性，在CU劃分的基礎上進一步劃分，從而滿足圖像的預測編碼需求。如圖2所示，PU的劃分需要根據當前編碼塊采用的編碼方式來選擇具體的劃分方式。

變換單元TU是進行變換和量化的基本單元。在進行圖像預測后，需要將殘差進行編碼，此時首先需要進行殘差的變換。變換塊TU是將編碼單元CU進行劃分，以便進行變換、量化和熵編碼。TU的劃分規則與CU類似，都是正方形劃分。

2.2 VVC視頻編碼標準塊劃分方式

VVC編碼標準在HEVC塊劃分的基礎上進一步完善，最大編碼塊尺寸增加到128*128，同時在四叉樹（QT）劃分的基礎上，增加了二叉樹（BT，binary tree）和三叉樹（TT，ternary tree）兩種劃分方式，劃分方式如圖3所示。

其中，二叉樹的劃分采用的是左右/上下對稱的方式，而進行三叉樹的劃分方式時，三部分子CU的比例為1：2：1。

當CU編碼塊在進行劃分時，第一層劃分必須使用四叉樹的劃分形式，劃分后的子CU在進一步劃分時，一旦采用了二叉樹或三叉樹的劃分方式，則不能再繼續使用四叉樹的方式劃分了。

值得一提的是，VVC編碼標準去除了HEVC中CU、PU和TU不同的塊劃分方式，改為同一種劃分方法，簡化了塊結構，在不影響編碼效果的前提下降低了算法復雜度。

3.VVC在分量表示方面的改進

在HEVC中，無論是幀內編碼還是幀間編碼，每個編碼塊均由一個亮度分量Y和兩個色度分量、來表示，即進行編碼塊劃分時兩個分量采用同一種劃分方式。在VVC中，因為P幀和B幀的編碼塊亮度分量與色度分量的運動向量相似，為了降低計算復雜度，保留了這種方式。

在進行I幀編碼時，為了提高編碼效果，考慮到I幀亮度分量和色度分量具有不同的空間特性，將亮度分量和色度分量分別進行劃分，在保持編碼性能的同時還能夠減少編碼比特。

4.總結

本文主要介紹了最新一代視頻編碼標準VVC在編碼塊劃分方面與上一代編碼標準HEVC的異同點。VVC視頻編碼方法的提出主要改善了HEVC在高清、超高清視頻方面的不足，同時為當前流行的360o全景影像視頻的處理提供了可能。VVC編碼方法的率失真性能比HEVC提升40%以上，其中在塊劃分方式方面有了很大改進。VVC充分考慮圖像特性及編碼特性，在不影響解碼圖像質量的前提下，使整體編碼性能得到很大提升。

參考文獻

[1] 萬帥， 楊付正. 新一代高效視頻編碼H.265/HEVC：原理、標準與實現[M]. 電子工業出版社， 2014.

[2] 何小海，楊曉敏. 數字圖像通信[M].四川大學出版社.2010.