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1、I暑暑 期期 社社 会会 实实 践践 报报 告告题目：HEVC/H.265 视频编码标准调研与编码软件设计 II目 录第 1 章HEVC/H.265 视频编码技术 .11.1HEVC 视频编码标准中的基本概念 .11.1.1HEVC 中的图像划分方式 .11.1.2HEVC 中图像处理单元 .31.1.3HEVC 中的编码方式 .51.2HEVC 中的关键技术 .51.2.1图像划分方式 .51.2.2并行处理方式 .61.2.3帧内预测 .81.2.4运动信息编码方式 .91.2.5非整数像素点样本插值 .101.2.6整数变换方式 .111.2.7CABAC 熵编码 .111.2.8环路滤
2、波 .121.3HEVC 编码器基本流程 .121.4HEVC 解码器基本流程 .141.5HEVC 视频编/解码器的硬件实现 .16第 2 章基于 HEVC 的编码软件设计 .172.1软件界面 .172.2软件使用说明 .17插图索引 .24参考文献 .251第 1 章HEVC/H.265 视频编码技术1.1 HEVC 视频编码标准中的基本概念1,2,3,4,51.1.1 HEVC 中的图像划分方式视频编解码中，一般将每帧图像分块处理，随着视频分辨率的不断增大，使用更大的块尺寸可以明显地提高编码效率，因为对于更高分辨率的视频序列，较小的块尺寸可能不足以捕获图像空间上的相关性，不能更有效地去
3、除图像空间上的冗余信息，从而不能有效地对视频进行压缩。因此与 H.264 中所采用的基于 1616 固定尺寸宏块 MB(niacro block)的图像划分方式不同，HEVC 中采用了一种更优化的图像划分方式。HEVC 中图像划分的基本单元为编码树单元CTU(coding tree unit)。CTU 的尺寸最大为 6464，最小为 88，而每一个 CTU还可以采用四叉树的结构进行再分，四叉树的末端单元被称为编码单元CU(Ccoding unit)，概念与 H.264 中的宏块类似。Error! Reference source not found.所示为 HEVC 中一个 6464 大小的
4、CTU 的一种划分方式及其相应的四叉树结构。图 1.1 6464 深度为 4 的 CTU 划分 (a) CTU 划分(b)相应的四叉树结构在 HEVC 中， “单元”和“块”是两个相对应的概念，后者一般指一系列的采样点矩阵，而前者还包含相应的语法信息。如编码树块单元 CTU 包括编码树2块 CTB(coding tree block)和相应的语法信息，预测单元 PU 包含预测块PB(prediction block)和相应的语法信息，变换单元 TU 包含变换块 TB(transfomi block)和相应的语法信息。HEVC 中，CTU 是图像划分的基本单元，将该基本单元按照一定的方式进行排列
5、，可以构成 HEVC 中的另外两种图像划分方式，slice 和 tile：1) slice：与 H.264 中的 slice 概念相近，slice 由一系列的 slice segment 组成，每个 slice segment 是指一帧图像中按照光栅扫描顺序排列的 CTU 序列集合，如 Error! Reference source not found.所示。slice segment 又分为独立片段(Independent slice segment)与非独立片段(dependent slice segment)，解码时，独立片段中含有当前 slice 中的一些全局配置信息，且不同 slic
6、e之间可以并行解码。图 1.2 HEVC 中 slice 示意图32) tile： tile 也是一系列按光栅扫描顺序的 CTU 序列的合集，与 slice 不同的是，tile 的边界为规则的矩形，如 Error! Reference source not found.所示。在解码时，不同 tile 之间也可以并行解码。图 1.3 HEVC 中 tile 示意图1.1.2 HEVC 中图像处理单元HEVC 中，CTU 按四叉树结构划分所得的末端单元被称为编码单元CU(coding unit)， CU 是 HEVC 编解码时的最基本单元，编码处理过程的预测、量化、变换、滤波、炮编码等都是以 CU
7、 为基本单位。CU 的尺寸由比特流中的相应语法元素来限制，每个 CU 主要包括两部分，预测单元 PU 及变换树。预测单元(PU)是 HEVC 中图像预测的基本单元，PU 可以按照 Error! Reference source not found.所示进行再分，其中对于采用帧内预测的预测单元只4能采用前两种划分方式，采用帧间预测的预测单元共有图中所示的八种划分方式。预测单元在编码的比特流中主要包含预测模式及相应的运动信息。图 1.4 HEVC 中 PU 的划分方式变换单元(TU)是 HEVC 中图像变换的基本单元。与 H.264 不同的是，HEVC中对于每一个 CU，采用了四叉树的结构进行变换
8、单元的划分，四叉树的末端单元被称为变换单元(TU)，如 Error! Reference source not found.所示。TU 的尺寸最大为 3232，最小为 44。TU 中主要包含残差信息。5图 1.5 HEVC 中 CTU 中变换单元划分方式，虚线表示 TU1.1.3 HEVC 中的编码方式HEVC 中处理不同的视频信号时，可根据需求采用如下四种编码模式：1) 常规编码模式：即常见的混合编码方式，在该模式下，图像经过变换、量化、预测、熵编码等一系列处理环节。该编码模式适应于大多数的视频信号，编码效率较高。2) I_PCM 模式：在该模式下，图像不经过变换、量化、预测、熵编码等一系列
9、的环节，而是直接编码每个像素点的具体像素值。该模式一般用于信号特征不明显的非常规信号，如噪声信号。3) 旁路变换模式：编码时，对某些变换块不使用图像变换。该模式仅适用于 44 大小的变换块。4) 无损模式：在该模式下，所有影响信号的无损重建的环节均未使用，如量化、预测、环路滤波等。61.2 HEVC 中的关键技术1,2,3,4,51.2.1 图像划分方式H.264 中，图像的基本划分单元为宏块，宏块尺寸固定为 1616，而 HEVC中图像的基本划分单元为编码树单元，且编码树单元可以采用四叉树结构进行更灵活的再分。这种更优化的编码树单元结构，相比于 H.264 中 1616 宏块与子宏块的划分方
10、式，有以下几点好处：(1)可以更好的适应高清视频编码效率的需求，1616 的宏块大小，对于高分辨率的视频，已经很难捕获视频空间上的相关性，进而无法满足更高分辨率视频对于编码效率的要求;(2)使编码器在编码时有更高的自由度，对于变化量很少的图像块，编码器可以选择用更大的 CU，而并非采用多个更小的宏块;此外，编码器还可以根据不同的视频分辨率、视频中场景变化的丰富程度更灵活地选择编码树尺寸及编码树深度，如对于 CIF(352288)格式的视频，尺寸为 1616，最大深度为 2 的CTU 结构较为合适，对于 1080p 场景变化较单一的视频，6464，最大深度为2 的 CTU 结构较为合适，而对于
11、1080p 场景变化较丰富的视频，则最好选择6464，最大深度为 4 的 CTU 结构，如 Error! Reference source not found.所示;7图 1.6 对于不同视频的 CTU 及 CU 尺寸的选取(3)采用统一的 CU 作为编解码处理的基本单元，而不采用宏块加子宏块的划分方式，使得码流结构更简洁统一，且编解码操作也更加简单一致。1.2.2 并行处理方式HEVC 的编码码率降低的同时，复杂度也有相应的提高，为了适应对于高分辨率视频的实时编解码需求，HEVC 在并行化处理方面作了如下改进：1) 基于 slice 的并行处理方式：HEVC 中每个 slice 可以独立地进行解码，故不同 slice 之间解码可以实现并行化，但是 slice 打破了帧间预测的相关性，因此造成了编码效率的降低，且在使用时，需要提前确定不同slice 在码流中的位置，给设计带来了额外的计算复杂度。实际应用中，基于 slice 的并行化处理使用得较少，sli
