视频编码课程论文HEVC剖析.doc

视频编码技术课程论文 基于HEVC（H.265）的视频编码 摘要：由软件和硬件提供的不断加强的处理能力带动了视频压缩编码的发展。新兴的HEVC视频编码标准意在相对于H.264/AVC将其编码效率提高一倍，并且用一半的比特率就能传送相同质量的视频。本文中与复杂性相关的一些方面在标准化过程中被考虑到并进行了描述。总体而言，HEVC解码器的复杂性与H.264/AVC解码器相比好像没有显著的不同,这使得HEVC解码软件在当前的硬件上非常实用。HEVC编码器预计将会比H.264/AVC编码器复杂上数倍，并在未来的数年内成为一项研究主题。 关键词：HEVC；分割结构；帧间预测；算法优化；视频编码 一.HEVC(H.265)的背景和理论基础 H.265是ITU-T VCEG 继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。具体的研究内容包括：提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H.265相比H.264进步更为明显，可以实现利用1Mbps以下的传输速度传送1080P（分辨率1920*1080）全高清音视频传送。除了在编解码效率上的提升外，在对网络的适应性方面H.265也有显著提升，可很好运行在Internet等复杂网络条件下。 新批准的H.265标准将通过改进后的压缩技术，让发行商通过网络传输1080p的视频，而所要求带宽只需当前使用的一半即可。在这种新标准使用之后，用户不仅可以在家庭中的宽带上传输和观看网络高清视频，而且还可以在手机和平板电脑等设备中享受这些服务，事实上，手机和平板电脑等设备使用了更多限制的网络带宽。这样，网络视频将能够更加广泛地普及到连接较差的网络之中或更多的移动网络之中。 H.265标准的通过可能会意味着网络受限的现象减少，同时，更多高清视频也将会出现。业界认为，更加高效的编码解码器的使用也可能会有助于提高视频的质量。 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：(1)高清晰度：数字视频的应用格式从720 P向1080 P全面升级，在一些视频应用领域甚至出现了4K x 2K、8K x 4K的数字视频格式；(2)高帧率：数字视频帧率从30 fps向60fps、120fps甚至240fps的应用场景升级；(3)高压缩率：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最佳的视频体验一直是用户的不懈追求。 由于数字视频应用在发展中面临上述趋势，如果继续采用H.264编码就出现的如下一些局限性：(1) 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；(2) 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 x 4或8 x 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；(3)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。 为了应对这种局限性，2010年1月，ITU-T VCEG和ISO/IEC MPEG联合成立JCT-VC了联合组织，统一制定下一代编码标准：HEVC. 二. HEVC(H.265)的关键技术 HEVC 进行了大量的技术创新，其中具有代表性的技术方案有：基于大尺寸 四叉树块的分割结构和帧间预测技术2.1 HEVC 的变换结构采用大尺寸树形编码结构有利于支持大尺寸图像编码。当感兴趣区域一致时，一个大的 CU 可以用较少的标识代表整个区域，这比用几个小的块分别标识更合理其次，任意 LUC 尺寸可以使编解码器对不同的内容、应用和设备达到最优化。对于目标应用，通过选择合适的 LCU 尺寸和最大分级深度，使编解码器具有更好的适应能力。LCU 和 SCU 尺寸范围可被定义到档次和级别部分以匹配需求。2.2 基于四叉树结构的编码分割为了提高高清、超高清视频的压缩编码效率，HEVC 提出了超大尺寸四叉树 编码结构，使用编码单元，预测单元和变换单元3个概念描述整个编码过程。其中CU类似于 H.264/AVC 中的宏块或子宏块，每个CU均为 2N×2N 的像素块（N 为 2 的幂次方），是 HEVC 编码的基本单元，目前可变范围为 64×64 至 8×8。图像首先以最大编码单元（LCU，如 64×64 块）为单位进行编码在LCU内部按照四叉树结构进行子块划分，