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HEVC关键技术.doc

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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-13和 MPEG4 Visual4,两大组织合作开发了 H.262/MPEG-2 Video5以及 H.264/MPEG-4 AVC6,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

2、频聊天、视频会议和网真系统等实时视频应用场景。H.264/MPEG-4 AVC 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(4k2k或 8k4k)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,HEVC(

3、High Efficiency 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(Joint Collaborative Team on Video Coding)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

4、景的应用需求,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,其中包括块分割、帧内

5、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(Transform Unit)。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 大小可以是6464、 3232、1616、和

6、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 Coding Unit) ,最小的 CU 称为 SCU(Smallest Coding Unit) ,LCU 和 SCU 的大小一般限制为 2 的整数次幂且大于等于 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。6 4 x 6 4( L C U )8 x 8( S C U )图 2-2 CU 递归四叉树分割结构如果已知 LCU 的大

7、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 6464,最大分割深度为 4,则 CU 大小可以为:6464(LCU), 3232,1616 ,88 。如果 LCU 大小为 1616,最大分割深度为2,则 CU 大小为:1616 ,88 。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 1616),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 1

8、2-14中也曾提出过。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 6464,则 Skip 模式下,PU 大小也是 6464;Intra 模式下,PU 大小可能是 6464

9、或3232; Inter 模式下,PU 大小可能是6464, 6432,3264,3232,6416 ,6448,1664 以及 4864。2 N x 2 N N x N2 N x 2 N N x 2 N 2 N x n U2 N x N N x N 2 N x n D n L x 2 N n R x 2 NI n t r aI n t e r2 N x 2 NS k i p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 的大小可能会大于 PU,但不会超过所在 CU 的大小,TU 必须是二维对

10、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 大小等于所在 CU 的大小,如果transform_unit_size_flag=1,则 TU 大小为 NN 或 N/2N/2,并取决于 PU 的分割方式。具体如图 2-4 所示: 2 N2 N0 12 3NN2 N2 NN / 2N / 2t r a n s f o r m u n i t s i z e f l a g = 0t r a n s f o r m u n i t s i z e f l a g = 0t

11、r a n s f o r m u n i t s i z e f l a g = 1 t r a n s f o r m u n i t s i z e f l a g = 1( a ) 2 N x 2 N , 2 N x N , N x 2 N , N x N c a s e( b ) 2 N x n U , 2 N x n D , n L x 2 N , n R x N c a s e图 2-4 TU 的分割方式CU PUTU2Nx2NxNx2Nx2NxnU2NxnDnLx2NnRx2NSymetric type Asymetric typeTU size flag =0TU size

12、flag =1 TUTU size flag =0TU size flag =1图 2-5 CU,PU ,TU 之间的关系图 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(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/

13、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,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,P lanar15-18两种非方向性预测,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(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

14、来预测当前块的色度,详见 2.3.2 节。A n g l e s t e p , m o d e s 1 8 - 3 4Anglestep,modes2-170- 5- 1 0- 1 5- 2 0- 2 5- 3 0- 3 0- 2 5- 2 0- 1 5- 1 0- 505 1 0 1 5 2 0 2 5 3 051 01 52 02 53 03 43 33 23 13 02 92 82 72 61 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 51 71 61 51 41 31 21 11 0234567890 = P l a n a r1 = D C(a) 35 种预测模式 (

15、b) 33 种方向预测角度图 2-6 帧内预测模式2.3.2 Planar 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 2-7 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

16、进的 planar 预测模式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:(2-1),CLPredxyRecxy其中 PredCx,y为当前块的色度预测信号,Rec Lx,y为当前块的亮度重建信号。 和 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 YUV4:2:0 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

17、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:(2-2),(2,2,1)LLLRecxyecxyRecxy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 和 。如式(2-3)和(2-4) 所示:(2-3)000122()()()()I IICLCLi iiI Ii iecieciARR(2-4)00()()IICLi iecec式(2-3)和(2-4)中 RecC(i)和 RecL(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

18、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 和 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( 2NnU, 2NnD, nL2N, nR2N),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

19、-10 为 6464 块的非对称运动矢量分割。图 2-10 6464 块的 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(Motion Vector Prediction)。HEVC 将这种方法进一步拓展,提出了 AMVP(Advanced motion vector prediction)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

20、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(Motion Vector Difference),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 44 和 88 两种变换模式,HEVC 增加了 1616、3232两种更大尺度的变换 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

21、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:(2-5)TYHX其中 X 为预测残差,H 为变换矩阵。图 2-11 为 HEVC 的 1616 的变换矩阵,为了简便,HEVC 只指定了 3232 尺度的变换矩阵,通过下采样而得到其他尺度(1616,88,44)的变换矩阵。图 2-11 1616 变换矩阵2.5.2 可选的 44 DST对于 44 大小的 TU,HEVC 提供了可选的基于 DST 变换模式 32-36,

22、其变换矩阵如图 2-12 所示。 2957480 8529H图 2-12 44 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,44 DST 和 44 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 44 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(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

23、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,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

24、种方式,详见图 2-13。TSM 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 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

25、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,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, Sample Adapti

26、ve 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,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

27、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、CAB

28、AC 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 之间的编码是相互独立的。Tile 的定义如下:(1) Tile 必须是矩形形状(2) 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。

29、(6) Tiles 可以和 Slice 在帧内共存(7) Tiles 是编码端的可选项图 2-15 33 Tiles 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 Slice header 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(Wavefront Parallel Processing)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

30、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。XPixel and MV dependencyProbabiltiesdependencyXBlock(s) beingencodedCABAC probabilititesKEY图 2-16 LCU 光栅扫描编码方式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-

31、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 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,第二行延续使用第一行第 2 个LCU 的概率,

32、具体如图 2-18 所示。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1 Video Codec for Audiovisual Services at px64 kbit/s , ITU-T Rec. H.261,version 1: November. 1990, version 2: March. 1993.2 Video Coding for Low Bit Rate Communication, ITU-T Rec.

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