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HEVC(H.265)的技术亮点


作为新一代视频编码标准,HEVC(H.265)仍然属于预测加变换的混合编码框架。然而,相对于H.264,H.265 在很多方面有了革命性的变化。HEVC(H.265)的技术亮点有:
1. 灵活的编码结构
H.265 中,将宏块的大小从 H.264 16 × 16 扩展到了 64 × 64 ,以便于高分辨率视频的压缩。同时,采用了更加灵活的编码结构来提高编码效率,包括编码单元( Coding Unit )、预测单元( Predict Unit )和变换单元( Transform Unit )。如图 1 所示:


1 编码单元( CU )、预测单元( PU )、变换单元( CU
其中编码单元类似于 H.264/AVC 中的宏块的概念,用于编码的过程,预测单元是进行预测的基本单元,变换单元是进行变换和量化的基本单元。这三个单元的分离,使得变换、预测和编码各个处理环节更加灵活,也有利于各环节的划分更加符合视频图像的纹理特征,有利于各个单元更优化的完成各自的功能。
2. 灵活的块结构——RQT(Residual Quad-tree Transform)
RQT 是一种自适应的变换技术,这种思想是对 H.264/AVC ABT Adaptive Block-size Transform )技术的延伸和扩展。对于帧间编码来说,它允许变换块的大小根据运动补偿块的大小进行自适应的调整;对于帧内编码来说,它允许变换块的大小根据帧内预测残差的特性进行自适应的调整。大块的变换相对于小块的变换,一方面能够提供更好的能量集中效果,并能在量化后保存更多的图像细节,但是另一方面在量化后却会带来更多的振铃效应。因此,根据当前块信号的特性,自适应的选择变换块大小,如图 2 所示,可以得到能量集中、细节保留程度以及图像的振铃效应三者最优的折中。

图2 灵活的块结构示意图
3.采样点自适应偏移(Sample Adaptive Offset)
SAO 在编解码环路内,位于 Deblock 之后,通过对重建图像的分类,对每一类图像像素值加减一个偏移,达到减少失真的目的,从而提高压缩率,减少码流。
采用 SAO 后,平均可以减少 2%~6% 的码流 , 而编码器和解码器的性能消耗仅仅增加了约 2%
4.自适应环路滤波(Adaptive Loop Filter)
ALF 在编解码环路内,位于 Deblock SAO 之后,用于恢复重建图像以达到重建图像与原始图像之间的均方差( MSE )最小。 ALF 的系数是在帧级计算和传输的,可以整帧应用 ALF ,也可以对于基于块或基于量化树( quadtree )的部分区域进行 ALF ,如果是基于部分区域的 ALF ,还必须传递指示区域信息的附加信息。
5 .并行化设计
当前芯片架构已经从单核性能逐渐往多核并行方向发展,因此为了适应并行化程度非常高的芯片实现,HEVC/H265引入了很多并行运算的优化思路, 主要包括以下几个方面:
(1) Tile
如图 3 所示,用垂直和水平的边界将图像划分为一些行和列,划分出的矩形区域为一个 Tile ,每一个 Tile 包含整数个 LCU(Largest Coding Unit) Tile 之间可以互相独立,以此实现并行处理:

图3 Tile划分示意图
(2) Entropy slice
Entropy Slice 允许在一个 slice 内部再切分成多个 Entropy Slices ,每个 Entropy Slice 可以独立的编码和解码,从而提高了编解码器的并行处理能力:

图4每一个slice可以划分为多个Entropy Slice
(3) WPP(Wavefront Parallel Processing)
上一行的第二个 LCU 处理完毕,即对当前行的第一个 LCU 的熵编码( CABAC )概率状态参数进行初始化,如图 5 所示。因此,只需要上一行的第二个 LCU 编解码完毕,即可以开始当前行的编解码,以此提高编解码器的并行处理能力:
5 WPP 示意图
6 H.264 中已有特性的改进
相对于H.264,H.265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。H.265在很多特性上都做了较大的改进,如表2所示:
H.264
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}
Luma-1/4 像素 {-1,3,-7,19,57,-10,4,-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 / 16×169/9/4模式
34 种角度预测 +
Planar 预测 DC 预测
色度 Intra 预测
DC, Horizontal, Vertical, Plane
DM, LM,
planar, Vertical, Horizontal, DC, diagonal
变换
DCT4×4/8×8
DCT4 × 4/8 × 8/16 × 16/32 × 32
DST4x4
去块滤波器
4x48x8边界Deblock滤波 较大的CU尺寸,4x4的边界不进行滤波
表2 H.264和H.265关键特性对

主要SIZES上区别见上图!

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