高效视频编码标准中的关键技术概述

本栏目责任编辑：唐一东

多媒体技术及其应用高效视频编码标准中的关键技术概述

张玢

（渭南师范学院数学与信息科学学院网络工程技术中心，陕西渭南714000）

摘要：高效视频编码标准(High Efficiency Video Coding)是视频压缩领域继H.264/AVC 之后的又一重大突破，主要面向高

清电视（HDTV ）以及视频编解码系统，文章从HEVC 基本体系出发，较全面地介绍了HEVC 在编码结构、自适应样点补

偿、自适应环路滤波以及并行化设计方面采用的关键技术。

关键词：视频编码；H.265/HEVC ；变换结构

中图分类号：TP391文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2013)18-4316-03

Research on Core Techniques in the High Efficiency Video Coding

ZHANG Bin

(Center of Network Engineering Technology,College of Mathematics and Information Science,Weinan Normal University,

Weinan 714000,China )

Abstract:As the successor to H.264/AVC,the High Efficiency Video Coding standard targets at next-generation HDTV dis⁃

plays and video compression systems.The encode architectures and some of the key technologies used in the new model are in⁃

troduced in this paper.Those key technologies involve with code structure,sample adaptive offset,adaptive loop filter and paral⁃

lel structure.

Key words:video coding;H.265/HEVC;transforming structure

国际电联(ITU)已正式批准通过了高效视频编码标准H.265/HEVC(High Efficiency Video Coding)，性能比H.264压缩标准有了很大的改善。H.265/HEVC 标准对压缩技术进行了改进，旨在有限带宽下传输更高质量的网络视频，H.265标准也同时支持超高清视频：4K (4096×2160)和8K(8192×4320)。可以说，H.265标准让网络视频跟上了显示屏“高分辨率化”的脚步。1HEVC 编码架构

视频编码压缩的基本原理，是充分利用时间、空间的相关性，尽可能的去除冗余信息。目前通常采用混合视频编码框架，即按照相关原则将一帧数据划分为若干块，通过预测、变换、量化、熵编码等一系列算法来实现视频压缩。

与H.264/AVC 相似，H.265/HEVC 的编码架构主要包含：帧内预测、帧间预测、转换、量化、去区块滤波器、熵编码等模块，但与H.264基于宏块不同，HEVC 整体被分为了三个基本单位：编码单位(CU ，coding unit )、预测单位(PU ，predict unit)和转换单位(TU ，transform unit)。2HEVC 使用的优势技术

H.265/HEVC 标准在之前压缩标准的基础上进行了技术改进，有以下基本算法：图像与声音分解与合成、图像与声音前处理、小波子带熵速率控制、小波子带熵量化与反量化、小波子带邻域交叉降维等，这些算法虽然复杂，但将压缩效率提升了一倍以上，该标准具体有以下几个方面的优势技术。1）编码结构灵活与H.264的4×4和8×8变换块相比，H.265/HEVC 引入了更大的宏块类型，扩充到16×16、32×32甚至于64×64的变换和量化算法，目的在于减少高清数字视频的宏块个数，描述宏块内容的参数信息也相对减少，以便于高分辨率视频的压缩。

为了提高视频的编码压缩效率，H.265/HEVC 提出了超大尺寸四叉树编码结构，该编码结构更加灵活，并使用CU ，PU 和TU 3个概念来描述整个编码过程。

收稿日期：2013-06-03

基金项目：渭南师范学院研究生专项基金项目（12YKZ048）

作者简介：张玢（1986-），女，陕西渭南人，教师，硕士研究生，主要从事嵌入式开发研究。

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Co mp u t e rKn o wl e d g ea n dTe c h n o l o g y 电脑知识与技术

第9卷第18期(2013年06月)多媒体技术及其应用本栏目责任编辑：唐一东在编码结构上采用树状结构的CU ，PU 和TU ，其中CU 是进行编码的基本单元，类似于H.264/AVC 中的宏块，HEVC 对CU 的划分采取四叉树迭代的方式，每个CU 可以继续分割为更小的CU ，如图1所示，四叉树划分的四个编码单元块是大小完全一样的正方

形。

图1编码单元结构PU 是进行预测的基本单元，其形状可以不是正方形，一个CU 可以有一个或多个PU ，而PU 包括预测和变换两个部分。帧内预测有两种预测方式：2N*2N 和N*N ；帧间预测有四种预测方式：2N*2N 、N*2N 、2N*N 和N*N ，具体的划分方式如下图2

所示。

图2预测单元的四种方式TU 是进行变换和量化的基本单元，它必须是正方形的，大小变换范围为4x4到32x32，一个CU 中可以包含一个或者多个TU ，如果拥有多个TU ，它们可以按照四叉树的结构重新排列，如图3

所示。

图3变换单元结构

2）自适应样点补偿(Sample Adaptive Offset)自适应样点补偿是一个自适应选择过程，在编解码环路内，位于去块滤波(Deblock)之后。若使用SAO 技术，重构图像将按照递归的方式分裂成4个子区域，每个子区域将根据其图像像素特征选择一种像素补偿方式，以减少源图像与重构图像之间的失真，从而提高压缩率，减少码流。采用SAO 后，平均码流减少了2%~6%，但编解码器的性能消耗只增加了约2%。目前有两大类补偿方式：带状补偿(BO ，Band Offset)和边缘补偿(EO ，Edge Offset)。

带状补偿：将像素值强度等级划分为若干个条带，每个条带内的像素拥有相同的补偿值。进行补偿时根据重构像素点所处的条带，选择相应的带状补偿值进行补偿。

边缘补偿：主要用于对图像的轮廓进行补偿。它将当前像素点值与相邻的2个像素值进行对比，用于比较的2个相邻像素可以在图4所示的4

种模板中选择。图44种边缘样点补偿模版3）自适应环路滤波(Adaptive Loop Filter)自适应环路滤波(ALF)在编解码环路内，用于恢复重建图像，在SAO 或者去块滤波(Deblock)之后。ALF 的原理是把编码带来的失真看成叠加在源视频数据上的高斯白噪声，根据每一帧的特性，自适应地得到相应的最优滤波器系数以滤除噪声。实验表明，自适应环路滤波器平均可使比特率下降5.46%左右，显著提高编码效率。

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