HEVC编码结构简要总结

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HEVC编码结构简要总结

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第1章编码结构

1.1 视频编码标准简介

视频编码标准只是规定了编码码流的语法语义和解码器，只要求视频编码后的码流符合标准的语法结构，解码器就可以根据码流的语法语义进行正常解码。因此，符合某个视频编码标准的编码器是有很大自由度的，只要编码后的码流符合标准的规定即可。

在编码器输出的码流中，数据的基本单位是语法元素，每个语法元素由若干比特组成，它表征了某个特定的物理意义，如预测类型、量化参数等。视频编码标准的语法规定了各个语法元素的组织结构，而语义则阐述了语法元索的具体含义。编码器输出的比特码流中，每比特都隶属于某个语法元素，每个语法元素在标准中都有相应的解释。可见，视频编码标准规定了编码后码流的语法语义，也就阐明了从比特流提取语法元素并进行解释的方法，也就是视频的解码过程。

1.1.1 HEVC的提出背景

随着数字视频应用产业链的快速发展，视频应用向以下几个方向发展的趋势愈加明显：

高清晰度(Higher Definition)：数字视频的应用格式从720p向1080p全面升级，在一些视频应用领域甚至出现了4K×2K、8K×4K的数字视频格式；
高帧率(Higher Frame Rate)：数字视频帧率从30fps向60fps、120fps甚至240fps的应用场景升级；
高压缩率(Higher Compression Rate)：传输带宽和存储空间一直是视频应用中最为关键的资源，因此，在有限的空间和管道中获得**的视频体验一直是用户的不懈追求。

如果继续采用H.264编码就出现的如下一些局限性：

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宏块个数的爆发式增长，会导致用于编码宏块的预测模式、运动矢量、参考帧索引和量化级等宏块级参数信息所占用的码字过多，用于编码残差部分的码字明显减少。
由于分辨率的大大增加，单个宏块所表示的图像内容的信息大大减少，这将导致相邻的4×4或8×8块变换后的低频系数相似程度也大大提高，导致出现大量的冗余。
由于分辨率的大大增加，表示同一个运动的运动矢量的幅值将大大增加，H.264中采用一个运动矢量预测值，对运动矢量差编码使用的是哥伦布指数编码，该编码方式的特点是数值越小使用的比特数越少。因此，随着运动矢量幅值的大幅增加，H.264中用来对运动矢量进行预测以及编码的方法压缩率将逐渐降低。
H.264的一些关键算法例如采用CAVLC和CABAC两种基于上下文的熵编码方法、deblock滤波等都要求串行编码，并行度比较低。针对GPU/DSP/FPGA/ASIC等并行化程度非常高的CPU，H.264的这种串行化处理越来越成为制约运算性能的瓶颈。

因此，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(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)，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(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。
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图视频编码标准发展进程

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图码率压缩趋势

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图各视频编码标准的率失真性能

1.1.2 AVS和HEVC关键特性对比

相对于AVS，HEVC标准的算法复杂性有了大幅提升，以此获得较好的压缩性能，这源于HEVC在很多特性上都做了较大的改进：

	H.264/AVS	H.265/HEVC
MB/CU 大小	4×4～16×16	4×4～64×64
亮度插值	Luma-1/2像素{1,-5,20,20,-5,1} Luma-1/4像素{1,1}	Luma-1/2像素{-1,4,-11,40,40,-11,4,-1} Luma-1/4像素{-1,4,-10,57,19,-7,3,-1} Chroma-1/8像素{-3,60,8,-1}
MVP 预测方法	空域MVP预测	空域+时域MVP预测 AMVP\Merge
亮度 Intra预测	4×4/8×8/16×16:9/9/4模式	33种角度预测+Planar预测+DC预测
色度 Intra预测	DC, Horizontal, Vertical, Planar	DM, LM, Planar, Vertical, Horizontal, DC, diagonal
变换	DCT 4×4/8×8	DCT 4×4/8×8/16×16/32×32 DST 4×4
去方块滤波器	4×4和8×8边界Deblock滤波	较大的CU尺寸，4×4边界不进行滤波 SAO和ALF

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