視頻編碼課程論文HEVC

1、視頻編碼技術課程論文基于HEVC（H.265）的視頻編碼摘要：由軟件和硬件提供的不斷加強的處理能力帶動了視頻壓縮編碼的發(fā)展。新興的HEVC視頻編碼標準意在相對于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量的視頻。本文中與復雜性相關的一些方面在標準化過程中被考慮到并進行了描述?？傮w而言，HEVC解碼器的復雜性與H.264/AVC解碼器相比好像沒有顯著的不同,這使得HEVC解碼軟件在當前的硬件上非常實用。HEVC編碼器預計將會比H.264/AVC編碼器復雜上數(shù)倍，并在未來的數(shù)年內成為一項研究主題。關鍵詞：HEVC；分割結構；幀間預測；算法優(yōu)化；視頻編碼一.HEVC(H

2、.265)的背景和理論基礎H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。H.265標準圍繞著現(xiàn)有的視頻編碼標準H.264，保留原來的某些技術，同時對一些相關的技術加以改進。新技術使用先進的技術用以改善碼流、編碼質量、延時和算法復雜度之間的關系，達到最優(yōu)化設置。具體的研究內容包括：提高壓縮效率、提高魯棒性和錯誤恢復能力、減少實時的時延、減少信道獲取時間和隨機接入時延、降低復雜度等。H.265相比H.264進步更為明顯，可以實現(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)絡的適應性方面H.2

3、65也有顯著提升，可很好運行在Internet等復雜網(wǎng)絡條件下。新批準的H.265標準將通過改進后的壓縮技術，讓發(fā)行商通過網(wǎng)絡傳輸1080p的視頻，而所要求帶寬只需當前使用的一半即可。在這種新標準使用之后，用戶不僅可以在家庭中的寬帶上傳輸和觀看網(wǎng)絡高清視頻，而且還可以在手機和平板電腦等設備中享受這些服務，事實上，手機和平板電腦等設備使用了更多限制的網(wǎng)絡帶寬。這樣，網(wǎng)絡視頻將能夠更加廣泛地普及到連接較差的網(wǎng)絡之中或更多的移動網(wǎng)絡之中。H.265標準的通過可能會意味著網(wǎng)絡受限的現(xiàn)象減少，同時，更多高清視頻也將會出現(xiàn)。業(yè)界認為，更加高效的編碼解碼器的使用也可能會有助于提高視頻的質量。隨著數(shù)字視頻應用

4、產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，視頻應用向以下幾個方向發(fā)展的趨勢愈加明顯：(1)高清晰度：數(shù)字視頻的應用格式從720 P向1080 P全面升級，在一些視頻應用領域甚至出現(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的應用場景升級；(3)高壓縮率：傳輸帶寬和存儲空間一直是視頻應用中最為關鍵的資源，因此，在有限的空間和管道中獲得最佳的視頻體驗一直是用戶的不懈追求。由于數(shù)字視頻應用在發(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) 宏塊個數(shù)的爆發(fā)式增長，會導致用于編碼宏塊的預測模式、運動矢量、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，單個宏塊所表示的圖像內容的信息大大減少，這將導致相鄰的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，導致出現(xiàn)大量的冗余；(3)隨著運動矢量幅值的大幅增加，H.264中用來對運動矢量進行預測以及編碼的方法壓縮率將逐漸降低。為了應對這種局限性，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準：HEVC.二. HEVC(H.265)的關鍵技術HEVC 進行了大量的技術創(chuàng)新，其中具有代表性的技術方案有：基于大尺寸 四

6、叉樹塊的分割結構和幀間預測技術。2.1 HEVC 的變換結構采用大尺寸樹形編碼結構有利于支持大尺寸圖像編碼。當感興趣區(qū)域一致時，一個大的 CU 可以用較少的標識代表整個區(qū)域，這比用幾個小的塊分別標識更合理。其次，任意 LUC 尺寸可以使編解碼器對不同的內容、應用和設備達到最優(yōu)化。對于目標應用，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 基于四叉樹結構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 編碼結構，使用編碼單元，預測單元和變換單元3個概念描述整個編碼過

7、程。其中CU類似于 H.264/AVC 中的宏塊或子宏塊，每個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）為單位進行編碼，在LCU內部按照四叉樹結構進行子塊劃分，直至成為最小編碼單元（SCU，如 8×8 塊）為止。一種新的不對稱運動分割預測方案也已經(jīng)被JCT所接受，這也是HEVC與 H.264 在分塊預測技術中最為不同之處。所謂 AMP，即將編碼單元分為兩個尺寸大小不一致的預測塊，其中一個PU單元的寬/長為 CU

8、 單元的 1/4，另一個PU對應的寬/長為CU單元的3/4。這種預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測效率。HEVC 的幀間、幀內預測的基本框架與H.264 基本相同：即采用相鄰塊重構像素對當前塊進行幀內預測，從相鄰塊的運動矢量中選擇預測運動矢量，支持多參考幀預測等。同時，HEVC 采用了如多角度預測，高精度運動補償?shù)榷喾N技術，使得預測精度大大提高。2.3 幀間預測技術在高效預測模式下，HEVC仍然采用 H.264 中的等級B預測方式，同時還增 加了廣義 B（Generalized Pand Bpicture，GPB）預測方式取代低時延應用場景中的P預測方式。GPB預測

9、結構是指對傳統(tǒng)P幀采取類似于B幀的雙向預測方式進行預測。在這種預測方式下，前向和后向參考列表中的參考圖像都必須為當前圖像之前的圖像，且兩者為同一圖像。對P幀采取B幀的運動預測方式增加了運動估計的準確度，提高了編碼效率，同時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，但其帶來的計算復雜度也最大，因此HEVC編碼器如何根據(jù)相鄰塊上下文屬性以及當前編碼塊的紋理特征進行快速的CU、PU和TU劃分，這具有

10、非常重要的研究價值。3.2快速、高效的碼率控制算法為了適應多核處理器的發(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，負載不均衡，無法充分挖掘多核處理器的計算能力，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，研究點主要包括并行運動估算法、并行幀內預測算法和并行熵編碼算法等。3.3快速、高效的視頻主觀質量優(yōu)化算法HEVC在視頻編碼算法方面，還在不斷的進行著擴展式的發(fā)展，以便應多應用需求的不斷變化，這些擴展發(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，不僅對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮，還要對其他深度信息進行編碼；(2)分層式HEVC編碼技術用于提高HEVC對網(wǎng)絡的自適應能力，目前主要應用于空域和質量域可分層視頻編碼；(3)HEVC即將把人類對視頻圖像的認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量，主要包括感興趣區(qū)域的檢測技術和動態(tài)碼率分配技術等；(4)優(yōu)化視頻圖像的主客觀質量評價方法，目前主要以峰值信噪比以及結構相似性指標作為評價標準，難以精確模擬人類視覺系統(tǒng)的功能，目前正在進一步提高和改進。四. HEVC(H.265)技術最新研究進展H.265標準是在H

12、.264標準的基礎上發(fā)展起來的，結合H.264在視頻應用領域的主流地位可以預見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營商已經(jīng)選擇H.264作為媒體格式標準，一些主要的編解碼設備廠商也一直積極參與到H.265標準的研究當中。華為是國際電信聯(lián)盟視訊標準的主要報告人和編輯者。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國家標準和行業(yè)、企業(yè)標準。在H.265協(xié)議制定期間，華為提交了多項相關提案、建議，并提供了非常典型的應用場景測試序列，得到國際電信聯(lián)盟的高度認可和接納。華為提供的China Speed序列已經(jīng)被標準組織采納作為Class F的標準測試序列。隨著芯片處

13、理能力越來越強，算法復雜性對應用的影響因素越來越小。相反，在算法實時通訊應用以及IPTV應用中，業(yè)務的不斷擴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手段，這也為H.265在基于IP進行流媒體服務領域的應用奠定了堅實的基礎。目前很多電信運營商使用H.264標準作為其媒體格式，也有很多廠商推出了基于H.264標準的機頂盒以及基于H.264標準的視頻會議解決方案。五.總結總之，HEVC，以實現(xiàn)卓越的壓縮性能的復雜性成本并不明顯。雖然某些方面的設計比H.264/AVC需要更多的處理，但其他各個方面都進行了簡化。實時軟件解碼的HEVC比特流是非?？尚械模壳暗陌l(fā)電設備：1080p60的解碼的筆記本電腦或臺式機，移動設備上（包括合理的比特率范圍內）和480p30解碼。這樣的性能是可以實現(xiàn)的，而且無需依靠在解碼過程中的多個內核。這是很重要的，因為它可提供快速，廣泛采用HEVC軟件路徑。在編碼器方面，需要大量的額外工作做出實時編碼器，提供媲美的HM編碼器的壓縮效率，預計這將在今后幾年里是一個活躍的研究領域。參考文獻：1 陳特，基于H.264/AVC運動估計算法研究,西安電子科技大學,2010.2 畢厚杰,新一代視頻壓縮編碼標準一H.264/AVC,人民郵電出版社,2005.04.3Il-Koo