視頻編碼課程論文HEVC

1、視頻編碼技術(shù)課程論文基于HEVC（H.265）的視頻編碼摘要：由軟件和硬件提供的不斷加強(qiáng)的處理能力帶動(dòng)了視頻壓縮編碼的發(fā)展。新興的HEVC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)意在相對于H.264/AVC將其編碼效率提高一倍，并且用一半的比特率就能傳送相同質(zhì)量的視頻。本文中與復(fù)雜性相關(guān)的一些方面在標(biāo)準(zhǔn)化過程中被考慮到并進(jìn)行了描述?？傮w而言，HEVC解碼器的復(fù)雜性與H.264/AVC解碼器相比好像沒有顯著的不同,這使得HEVC解碼軟件在當(dāng)前的硬件上非常實(shí)用。HEVC編碼器預(yù)計(jì)將會(huì)比H.264/AVC編碼器復(fù)雜上數(shù)倍，并在未來的數(shù)年內(nèi)成為一項(xiàng)研究主題。關(guān)鍵詞：HEVC；分割結(jié)構(gòu)；幀間預(yù)測；算法優(yōu)化；視頻編碼一.HEVC(H

2、.265)的背景和理論基礎(chǔ)H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.265標(biāo)準(zhǔn)圍繞著現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264，保留原來的某些技術(shù)，同時(shí)對一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)。新技術(shù)使用先進(jìn)的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)置。具體的研究內(nèi)容包括：提高壓縮效率、提高魯棒性和錯(cuò)誤恢復(fù)能力、減少實(shí)時(shí)的時(shí)延、減少信道獲取時(shí)間和隨機(jī)接入時(shí)延、降低復(fù)雜度等。H.265相比H.264進(jìn)步更為明顯，可以實(shí)現(xiàn)利用1Mbps以下的傳輸速度傳送1080P（分辨率1920*1080）全高清音視頻傳送。除了在編解碼效率上的提升外，在對網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性方面H.2

3、65也有顯著提升，可很好運(yùn)行在Internet等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)條件下。新批準(zhǔn)的H.265標(biāo)準(zhǔn)將通過改進(jìn)后的壓縮技術(shù)，讓發(fā)行商通過網(wǎng)絡(luò)傳輸1080p的視頻，而所要求帶寬只需當(dāng)前使用的一半即可。在這種新標(biāo)準(zhǔn)使用之后，用戶不僅可以在家庭中的寬帶上傳輸和觀看網(wǎng)絡(luò)高清視頻，而且還可以在手機(jī)和平板電腦等設(shè)備中享受這些服務(wù)，事實(shí)上，手機(jī)和平板電腦等設(shè)備使用了更多限制的網(wǎng)絡(luò)帶寬。這樣，網(wǎng)絡(luò)視頻將能夠更加廣泛地普及到連接較差的網(wǎng)絡(luò)之中或更多的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之中。H.265標(biāo)準(zhǔn)的通過可能會(huì)意味著網(wǎng)絡(luò)受限的現(xiàn)象減少，同時(shí)，更多高清視頻也將會(huì)出現(xiàn)。業(yè)界認(rèn)為，更加高效的編碼解碼器的使用也可能會(huì)有助于提高視頻的質(zhì)量。隨著數(shù)字視頻應(yīng)用

4、產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，視頻應(yīng)用向以下幾個(gè)方向發(fā)展的趨勢愈加明顯：(1)高清晰度：數(shù)字視頻的應(yīng)用格式從720 P向1080 P全面升級，在一些視頻應(yīng)用領(lǐng)域甚至出現(xiàn)了4K x 2K、8K x 4K的數(shù)字視頻格式；(2)高幀率：數(shù)字視頻幀率從30 fps向60fps、120fps甚至240fps的應(yīng)用場景升級；(3)高壓縮率：傳輸帶寬和存儲(chǔ)空間一直是視頻應(yīng)用中最為關(guān)鍵的資源，因此，在有限的空間和管道中獲得最佳的視頻體驗(yàn)一直是用戶的不懈追求。由于數(shù)字視頻應(yīng)用在發(fā)展中面臨上述趨勢，如果繼續(xù)采用H.264編碼就出現(xiàn)的如下一些局限性：(1) 宏塊個(gè)數(shù)的爆發(fā)式增長，會(huì)導(dǎo)致用于編碼宏塊的預(yù)測模式、運(yùn)動(dòng)矢量、參考幀索

5、引和量化級等宏塊級參數(shù)信息所占用的碼字過多，用于編碼殘差部分的碼字明顯減少；(2) 由于分辨率的大大增加，單個(gè)宏塊所表示的圖像內(nèi)容的信息大大減少，這將導(dǎo)致相鄰的4 x 4或8 x 8塊變換后的低頻系數(shù)相似程度也大大提高，導(dǎo)致出現(xiàn)大量的冗余；(3)隨著運(yùn)動(dòng)矢量幅值的大幅增加，H.264中用來對運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行預(yù)測以及編碼的方法壓縮率將逐漸降低。為了應(yīng)對這種局限性，2010年1月，ITU-T VCEG和ISO/IEC MPEG聯(lián)合成立JCT-VC了聯(lián)合組織，統(tǒng)一制定下一代編碼標(biāo)準(zhǔn)：HEVC.二. HEVC(H.265)的關(guān)鍵技術(shù)HEVC 進(jìn)行了大量的技術(shù)創(chuàng)新，其中具有代表性的技術(shù)方案有：基于大尺寸 四

6、叉樹塊的分割結(jié)構(gòu)和幀間預(yù)測技術(shù)。2.1 HEVC 的變換結(jié)構(gòu)采用大尺寸樹形編碼結(jié)構(gòu)有利于支持大尺寸圖像編碼。當(dāng)感興趣區(qū)域一致時(shí)，一個(gè)大的 CU 可以用較少的標(biāo)識(shí)代表整個(gè)區(qū)域，這比用幾個(gè)小的塊分別標(biāo)識(shí)更合理。其次，任意 LUC 尺寸可以使編解碼器對不同的內(nèi)容、應(yīng)用和設(shè)備達(dá)到最優(yōu)化。對于目標(biāo)應(yīng)用，通過選擇合適的 LCU 尺寸和最大分級深度，使編解碼器具有更好的適應(yīng)能力。LCU 和 SCU 尺寸范圍可被定義到檔次和級別部分以匹配需求。2.2 基于四叉樹結(jié)構(gòu)的編碼分割為了提高高清、超高清視頻的壓縮編碼效率，HEVC 提出了超大尺寸四叉樹 編碼結(jié)構(gòu)，使用編碼單元，預(yù)測單元和變換單元3個(gè)概念描述整個(gè)編碼過

7、程。其中CU類似于 H.264/AVC 中的宏塊或子宏塊，每個(gè)CU均為 2N×2N 的像素塊（N 為 2 的冪次方），是 HEVC 編碼的基本單元，目前可變范圍為 64×64 至 8×8。圖像首先以最大編碼單元（LCU，如 64×64 塊）為單位進(jìn)行編碼，在LCU內(nèi)部按照四叉樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行子塊劃分，直至成為最小編碼單元（SCU，如 8×8 塊）為止。一種新的不對稱運(yùn)動(dòng)分割預(yù)測方案也已經(jīng)被JCT所接受，這也是HEVC與 H.264 在分塊預(yù)測技術(shù)中最為不同之處。所謂 AMP，即將編碼單元分為兩個(gè)尺寸大小不一致的預(yù)測塊，其中一個(gè)PU單元的寬/長為 CU

8、 單元的 1/4，另一個(gè)PU對應(yīng)的寬/長為CU單元的3/4。這種預(yù)測方式考慮了大尺寸可能的紋理分布，可以有效提高大尺寸塊的預(yù)測效率。HEVC 的幀間、幀內(nèi)預(yù)測的基本框架與H.264 基本相同：即采用相鄰塊重構(gòu)像素對當(dāng)前塊進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測，從相鄰塊的運(yùn)動(dòng)矢量中選擇預(yù)測運(yùn)動(dòng)矢量，支持多參考幀預(yù)測等。同時(shí)，HEVC 采用了如多角度預(yù)測，高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N技術(shù)，使得預(yù)測精度大大提高。2.3 幀間預(yù)測技術(shù)在高效預(yù)測模式下，HEVC仍然采用 H.264 中的等級B預(yù)測方式，同時(shí)還增 加了廣義 B（Generalized Pand Bpicture，GPB）預(yù)測方式取代低時(shí)延應(yīng)用場景中的P預(yù)測方式。GPB預(yù)測

9、結(jié)構(gòu)是指對傳統(tǒng)P幀采取類似于B幀的雙向預(yù)測方式進(jìn)行預(yù)測。在這種預(yù)測方式下，前向和后向參考列表中的參考圖像都必須為當(dāng)前圖像之前的圖像，且兩者為同一圖像。對P幀采取B幀的運(yùn)動(dòng)預(yù)測方式增加了運(yùn)動(dòng)估計(jì)的準(zhǔn)確度，提高了編碼效率，同時(shí)也有利于編碼流程的統(tǒng)一。三.HEVC(H.265)的算法優(yōu)化3.1快速、高效的編碼率失真優(yōu)化算法基于對HEVC編碼器參考模型HM的測試分析可知，靈活的塊劃分模型，包括編碼單元CU、變換單元TU以及預(yù)測單元PU，對視頻編碼的率失真性能提高最為明顯，但其帶來的計(jì)算復(fù)雜度也最大，因此HEVC編碼器如何根據(jù)相鄰塊上下文屬性以及當(dāng)前編碼塊的紋理特征進(jìn)行快速的CU、PU和TU劃分，這具有

10、非常重要的研究價(jià)值。3.2快速、高效的碼率控制算法為了適應(yīng)多核處理器的發(fā)展趨勢，HEVC中引入了片層、條帶以及WPP（波形并行處理）的思想，然而目前已有的并行視頻編碼方法力度較粗，并行度不高，負(fù)載不均衡，無法充分挖掘多核處理器的計(jì)算能力，影響編碼效率。因此研究適用于多核處理器的高并行度視頻編碼方法，為視頻編碼發(fā)展提供持續(xù)的計(jì)算能力保證，具有重要意義。目前這方面的研究剛剛起步，研究點(diǎn)主要包括并行運(yùn)動(dòng)估算法、并行幀內(nèi)預(yù)測算法和并行熵編碼算法等。3.3快速、高效的視頻主觀質(zhì)量優(yōu)化算法HEVC在視頻編碼算法方面，還在不斷的進(jìn)行著擴(kuò)展式的發(fā)展，以便應(yīng)多應(yīng)用需求的不斷變化，這些擴(kuò)展發(fā)展的主要研究方向包括：

11、(1)3D視頻、立體視頻和多視角視頻的編碼技術(shù)，不僅對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，還要對其他深度信息進(jìn)行編碼；(2)分層式HEVC編碼技術(shù)用于提高HEVC對網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力，目前主要應(yīng)用于空域和質(zhì)量域可分層視頻編碼；(3)HEVC即將把人類對視頻圖像的認(rèn)知模型融入到視頻編碼算法中，對視頻圖像中感興趣的區(qū)域分配較多的碼率以提高視頻圖像的主觀質(zhì)量，主要包括感興趣區(qū)域的檢測技術(shù)和動(dòng)態(tài)碼率分配技術(shù)等；(4)優(yōu)化視頻圖像的主客觀質(zhì)量評價(jià)方法，目前主要以峰值信噪比以及結(jié)構(gòu)相似性指標(biāo)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，難以精確模擬人類視覺系統(tǒng)的功能，目前正在進(jìn)一步提高和改進(jìn)。四. HEVC(H.265)技術(shù)最新研究進(jìn)展H.265標(biāo)準(zhǔn)是在H

12、.264標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，結(jié)合H.264在視頻應(yīng)用領(lǐng)域的主流地位可以預(yù)見H.265協(xié)議在未來廣大的發(fā)展前景。世界的一些主流電視組織以及媒體運(yùn)營商已經(jīng)選擇H.264作為媒體格式標(biāo)準(zhǔn)，一些主要的編解碼設(shè)備廠商也一直積極參與到H.265標(biāo)準(zhǔn)的研究當(dāng)中。華為是國際電信聯(lián)盟視訊標(biāo)準(zhǔn)的主要報(bào)告人和編輯者。作為國際電信聯(lián)盟成員單位，華為牽頭并參與制訂了多項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在H.265協(xié)議制定期間，華為提交了多項(xiàng)相關(guān)提案、建議，并提供了非常典型的應(yīng)用場景測試序列，得到國際電信聯(lián)盟的高度認(rèn)可和接納。華為提供的China Speed序列已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)組織采納作為Class F的標(biāo)準(zhǔn)測試序列。隨著芯片處

13、理能力越來越強(qiáng)，算法復(fù)雜性對應(yīng)用的影響因素越來越小。相反，在算法實(shí)時(shí)通訊應(yīng)用以及IPTV應(yīng)用中，業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)展和需求的增加使得有限的帶寬資源逐漸成為瓶頸，高壓縮率的編碼是解決這一難題的有效技術(shù)手段，這也為H.265在基于IP進(jìn)行流媒體服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前很多電信運(yùn)營商使用H.264標(biāo)準(zhǔn)作為其媒體格式，也有很多廠商推出了基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)頂盒以及基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的視頻會(huì)議解決方案。五.總結(jié)總之，HEVC，以實(shí)現(xiàn)卓越的壓縮性能的復(fù)雜性成本并不明顯。雖然某些方面的設(shè)計(jì)比H.264/AVC需要更多的處理，但其他各個(gè)方面都進(jìn)行了簡化。實(shí)時(shí)軟件解碼的HEVC比特流是非?？尚械模壳暗陌l(fā)電設(shè)備：1080p60的解碼的筆記本電腦或臺(tái)式機(jī)，移動(dòng)設(shè)備上（包括合理的比特率范圍內(nèi)）和480p30解碼。這樣的性能是可以實(shí)現(xiàn)的，而且無需依靠在解碼過程中的多個(gè)內(nèi)核。這是很重要的，因?yàn)樗商峁┛焖伲瑥V泛采用HEVC軟件路徑。在編碼器方面，需要大量的額外工作做出實(shí)時(shí)編碼器，提供媲美的HM編碼器的壓縮效率，預(yù)計(jì)這將在今后幾年里是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：1 陳特，基于H.264/AVC運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法研究,西安電子科技大學(xué),2010.2 畢厚杰,新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)一H.264/AVC,人民郵電出版社,2005.04.3Il-Koo