下一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)

蔡曉霞，崔巖松，鄧中亮，常志峰

（北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京 100876）

1 HEVC背景與發(fā)展

H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)使得視頻壓縮效率提高到了一個(gè)新的水平。自該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來(lái)，H.264以其高效的壓縮效率，良好的網(wǎng)絡(luò)親和性以及優(yōu)越的穩(wěn)健性等優(yōu)點(diǎn)迅速得到了廣大用戶的認(rèn)同。然而，隨著終端處理能力以及人們對(duì)多媒體體驗(yàn)要求的不斷提高，高清、3D、無(wú)線移動(dòng)已經(jīng)成為視頻應(yīng)用的主流趨勢(shì)。而現(xiàn)有的H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的壓縮效率仍然不足以應(yīng)對(duì)高清、超高清視頻應(yīng)用，需要更為高效的編碼壓縮方案。與此同時(shí)，近年許多新型有效的技術(shù)在不斷涌現(xiàn)，使得新標(biāo)準(zhǔn)的定制成為可能。為此國(guó)際電聯(lián)組織（ITU-T）和移動(dòng)視頻專家組（MPEG）成立了視頻編碼聯(lián)合小組（Joint Collaborative Team on Video Coding，JCT-VC）[1]，將新標(biāo)準(zhǔn)的定制正式提上日程。

2010年4月JCT-VC第一次會(huì)議在德國(guó)德累斯頓召開(kāi)，所收到的27個(gè)提案從增加編碼復(fù)雜度、提高壓縮效率，或者從保證編碼質(zhì)量、降低編碼復(fù)雜度的角度出發(fā)[2]，討論如何在H.264/AVC高級(jí)檔次的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高編碼性能。新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)主要面向高清電視（HDTV）以及視頻捕獲系統(tǒng)的應(yīng)用，提供從QVGA至1 080p以至超高清電視（7 680×4 320）不同級(jí)別的視頻應(yīng)用。其核心目標(biāo)在于：在H.264/AVC High Profile的基礎(chǔ)上，壓縮效率提高1倍，即在保證相同視頻圖像質(zhì)量的前提下，視頻流的碼率減少50%[1]。

2 HEVC編碼框架及其關(guān)鍵技術(shù)

HEVC依然沿用自H.263就開(kāi)始采用的混合編碼框架[3]，如幀內(nèi)預(yù)測(cè)和基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)，殘差的二維變換、環(huán)路濾波、熵編碼等。在此混合編碼框架下，HEVC進(jìn)行了大量的技術(shù)創(chuàng)新，其中具有代表性的技術(shù)方案有：基于大尺寸四叉樹(shù)塊的分割結(jié)構(gòu)和殘差編碼結(jié)構(gòu)，多角度幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)，運(yùn)動(dòng)估計(jì)融合技術(shù)，高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，自適應(yīng)環(huán)路濾波技術(shù)以及基于語(yǔ)義的熵編碼技術(shù)。下文將對(duì)這個(gè)技術(shù)方案進(jìn)行介紹。

2.1 基于四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)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(shù)編碼結(jié)構(gòu)，使用編碼單元（Coding Unit，CU），預(yù)測(cè)單元（Prediction Unit，PU）和變換單元（Transform unit，TU）3個(gè)概念描述整個(gè)編碼過(guò)程。其中CU類似于H.264/AVC中的宏塊或子宏塊，每個(gè)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(jìn)行編碼，在LCU內(nèi)部按照四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行子塊劃分，直至成為最小編碼單元（SCU，如8×8塊）為止，如圖1所示。

對(duì)于每個(gè)CU，HEVC使用預(yù)測(cè)單元（PU）來(lái)實(shí)現(xiàn)該CU單元的預(yù)測(cè)過(guò)程。PU尺寸受限于其所屬的CU，可以是方塊（如2N×2N，N×N），也可以為矩形（如2N×N，N×2N），現(xiàn)有HM模型的對(duì)稱PU分割類型如圖2所示[4]。

此外，一種新的不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)分割預(yù)測(cè)（Asymmetric Motion Partition，AMP）方案也已經(jīng)被JCT所接受[5]，這也是HEVC與H.264在分塊預(yù)測(cè)技術(shù)中最為不同之處。所謂AMP，即將編碼單元分為兩個(gè)尺寸大小不一致的預(yù)測(cè)塊，其中一個(gè)PU單元的寬/長(zhǎng)為CU單元的1/4，另一個(gè)PU對(duì)應(yīng)的寬/長(zhǎng)為CU單元的3/4，如圖3所示。這種預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)效率。

2.2 HEVC的變換結(jié)構(gòu)

HEVC突破了原有的變換尺寸限制，可支持4×4至32×32的編碼變換，以變換單元（TU）為基本單元進(jìn)行變換和量化。為提高大尺寸編碼單元的編碼效率，DCT變換同樣采用四叉樹(shù)型的變換結(jié)構(gòu)。圖4為編碼單元、變換單元的四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖示例，其中虛線為變換單元四叉樹(shù)分割，實(shí)線為編碼單元四叉樹(shù)分割，編號(hào)為各編碼單元的編碼順序。采用Z型編碼順序的好處為：對(duì)于當(dāng)前編碼單元，其上方塊、左方塊以及左上方塊預(yù)測(cè)信息（如果存在）總是可以獲得。

配合不對(duì)稱預(yù)測(cè)單元以及矩形預(yù)測(cè)單元，新的HM4.0模型還采納了相應(yīng)的矩形四叉樹(shù)TU結(jié)構(gòu)[6]，突破了方塊變換的限制。圖5展示了3級(jí)矩形四叉樹(shù)變換水平TU結(jié)構(gòu)，同理可有垂直分割結(jié)構(gòu)。

盡管TU的模板發(fā)生了變化，但其變換核并沒(méi)有發(fā)生實(shí)質(zhì)性的變化。現(xiàn)有的關(guān)于不對(duì)稱變換所使用的變換核是由方形變換核剪裁得到的。通常，n×m的變換系數(shù)矩陣的計(jì)算公式為

式中：Bn×m為n×m的像素塊，Tm，Tn分別為m×m，n×n的變換核，Cn×m為Bn×m的變換系數(shù)。

測(cè)試結(jié)果表明，非正方形四叉樹(shù)更適合矩形PU和AMP變換，可節(jié)省大約0.3%的比特，同時(shí)增加2%左右的編碼復(fù)雜度，對(duì)解碼幾乎沒(méi)有影響[7]。

采用大尺寸樹(shù)形編碼結(jié)構(gòu)有利于支持大尺寸圖像編碼。當(dāng)感興趣區(qū)域一致時(shí)，一個(gè)大的CU可以用較少的標(biāo)識(shí)代表整個(gè)區(qū)域，這比用幾個(gè)小的塊分別標(biāo)識(shí)更合理。其次，任意LUC尺寸可以使編解碼器對(duì)不同的內(nèi)容、應(yīng)用和設(shè)備達(dá)到最優(yōu)化。對(duì)于目標(biāo)應(yīng)用，通過(guò)選擇合適的LCU尺寸和最大分級(jí)深度，使編解碼器具有更好的適應(yīng)能力。LCU和SCU尺寸范圍可被定義到檔次和級(jí)別部分以匹配需求。

3 HEVC預(yù)測(cè)編碼技術(shù)

HEVC的幀間、幀內(nèi)預(yù)測(cè)的基本框架與H.264基本相同：采用相鄰塊重構(gòu)像素對(duì)當(dāng)前塊進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)，從相鄰塊的運(yùn)動(dòng)矢量中選擇預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)矢量，支持多參考幀預(yù)測(cè)等。同時(shí)，HEVC采用了如多角度預(yù)測(cè)，高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N技術(shù)，使得預(yù)測(cè)精度大大提高。

3.1 多角度幀內(nèi)預(yù)測(cè)

HEVC的幀內(nèi)預(yù)測(cè)將原有的8種預(yù)測(cè)方向擴(kuò)展至33種，增加了幀內(nèi)預(yù)測(cè)的精細(xì)度。另外，幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式保留了DC預(yù)測(cè)，并對(duì)Planar預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了改進(jìn)。目前HM模型中共包含了35種預(yù)測(cè)模式，如圖6所示。但由于受到編碼復(fù)雜度限制，編碼模型對(duì)4×4和64×64尺寸的PU所能使用的預(yù)測(cè)模式進(jìn)行了限制。

原有的HM模型中色度分量幀內(nèi)預(yù)測(cè)采用了5種預(yù)測(cè)模式，分別為水平、垂直、DC預(yù)測(cè)、亮度模式以及對(duì)角模式。JCT-VC第五次會(huì)議后增加了以基于亮度的色度幀內(nèi)預(yù)測(cè)[8]，以取代對(duì)角預(yù)測(cè)模式。在該預(yù)測(cè)模式下，色度分量使用亮度分量的值進(jìn)行線性預(yù)測(cè)，相關(guān)系數(shù)根據(jù)重構(gòu)圖像特性進(jìn)行計(jì)算。該方案在色度分量上取得了8%左右的性能增益，而編碼復(fù)雜度基本不變。

然而，盡管現(xiàn)有的幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)已對(duì)PU預(yù)測(cè)方向有所限制，但編碼的復(fù)雜度仍然很高。不少研究人員提出了快速幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法，以進(jìn)一步降低編碼的復(fù)雜度[9]。

3.2 幀間預(yù)測(cè)技術(shù)

3.2.1 廣義B預(yù)測(cè)技術(shù)

在高效預(yù)測(cè)模式下，HEVC仍然采用H.264中的等級(jí)B預(yù)測(cè)方式，同時(shí)還增加了廣義B（Generalized P and B picture，GPB）預(yù)測(cè)方式取代低時(shí)延應(yīng)用場(chǎng)景中的P預(yù)測(cè)方式。GPB預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)[10]是指對(duì)傳統(tǒng)P幀采取類似于B幀的雙向預(yù)測(cè)方式進(jìn)行預(yù)測(cè)。在這種預(yù)測(cè)方式下，前向和后向參考列表中的參考圖像都必須為當(dāng)前圖像之前的圖像，且兩者為同一圖像。對(duì)P幀采取B幀的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方式增加了運(yùn)動(dòng)估計(jì)的準(zhǔn)確度，提高了編碼效率，同時(shí)也有利于編碼流程的統(tǒng)一。

3.2.2 高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)

HEVC的編碼器內(nèi)部增加了像素比特深度，最大可支持12 bit的解碼圖像輸出，提高了解碼圖像的信息精度。同時(shí)，HM模型采取了高精度的雙向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)[11]，即無(wú)論最終輸出圖像比特深度是否增加，在雙向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程都將使用14 bit的精度進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

3.2.3 運(yùn)動(dòng)融合技術(shù)和自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測(cè)技術(shù)

運(yùn)動(dòng)融合技術(shù)（Merge）將以往的跳過(guò)預(yù)測(cè)模式（Skip Mode）和直接預(yù)測(cè)模式（Direct Mode）的概念進(jìn)行了整合。采用融合模式時(shí)，當(dāng)前PU塊的運(yùn)動(dòng)信息（包括運(yùn)動(dòng)矢量、參考索引、預(yù)測(cè)模式）都可以通過(guò)相鄰PU的運(yùn)動(dòng)信息推導(dǎo)得到。編碼時(shí)當(dāng)前PU塊只需要傳送融合標(biāo)記（Merge Flag）以及融合索引（Merge Index），無(wú)需傳送其運(yùn)動(dòng)信息[12]。

自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測(cè)技術(shù)（Adaptive Motion Vector Prediction，AMVP）為一般的幀間預(yù)測(cè)PU服務(wù)，通過(guò)相鄰空域相鄰PU以及時(shí)域相鄰PU的運(yùn)動(dòng)矢量信息構(gòu)造出一個(gè)預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)矢量候選列表，PU遍歷運(yùn)動(dòng)矢量候選列表選擇最佳的預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)矢量。利用AMVP技術(shù)可充分發(fā)掘時(shí)域相關(guān)性和空域相關(guān)性。

值得一提的是，無(wú)論是運(yùn)動(dòng)融合技術(shù)還是自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測(cè)技術(shù)，兩者在候選運(yùn)動(dòng)矢量列表的設(shè)計(jì)上都進(jìn)行了精心考量，以保證運(yùn)動(dòng)估計(jì)的高效性以及解碼的穩(wěn)健性。在早期的HM模型中，兩種預(yù)測(cè)方式所使用的候選運(yùn)動(dòng)矢量列表是相互獨(dú)立的；在JCT第6次會(huì)議結(jié)束后，新的HM模型中將兩者的參考列表構(gòu)造進(jìn)行了統(tǒng)一[13]，Merge將采用與AMVP相同的方式構(gòu)造候選運(yùn)動(dòng)矢量列表，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)信息的推導(dǎo)。

4 環(huán)路濾波

1個(gè)完整的HEVC的環(huán)路濾波過(guò)程包括3個(gè)環(huán)節(jié)：去塊濾波，自適應(yīng)樣點(diǎn)補(bǔ)償（Sample Adaptive Offset，SAO），自適應(yīng)環(huán)路濾波（Adaptive Loop Filter，ALF）。去塊濾波在H.264的去塊濾波技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，但為了降低復(fù)雜度，目前的HM模型取消了對(duì)4×4塊的去塊濾波[14]。自適應(yīng)樣點(diǎn)補(bǔ)償和自適應(yīng)環(huán)路濾波均為HEVC的采用的新技術(shù)。

4.1 自適應(yīng)樣點(diǎn)補(bǔ)償

自適應(yīng)樣點(diǎn)補(bǔ)償是一個(gè)自適應(yīng)選擇過(guò)程，在去塊濾波后進(jìn)行。若使用SAO技術(shù)，重構(gòu)圖像將按照遞歸的方式分裂成4個(gè)子區(qū)域[15]，每個(gè)子區(qū)域?qū)⒏鶕?jù)其圖像像素特征選擇一種像素補(bǔ)償方式，以減少源圖像與重構(gòu)圖像之間的失真。目前自適應(yīng)樣點(diǎn)補(bǔ)償方式分為帶狀補(bǔ)償（Band Offset，BO）和邊緣補(bǔ)償（Edge Offset，EO）兩大類。

帶狀補(bǔ)償將像素值強(qiáng)度等級(jí)劃分為若干個(gè)條帶，每個(gè)條帶內(nèi)的像素?fù)碛邢嗤难a(bǔ)償值。進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)根據(jù)重構(gòu)像素點(diǎn)所處的條帶，選擇相應(yīng)的帶狀補(bǔ)償值進(jìn)行補(bǔ)償?，F(xiàn)有的HM模型將像素值強(qiáng)度從0到最大值劃分為32個(gè)等級(jí)，如圖7所示[16]。同時(shí)這32個(gè)等級(jí)條帶還分為兩類，第一類是位于中間的16個(gè)條帶，剩余的16個(gè)條帶是第二類。編碼時(shí)只將一類條帶的補(bǔ)償信息寫(xiě)入片頭；另一類條帶信息則不傳送。這樣的方式編碼將具有較小補(bǔ)償值的一類條帶忽略不計(jì)，從而節(jié)省了編碼比特?cái)?shù)。

邊緣補(bǔ)償主要用于對(duì)圖像的輪廓進(jìn)行補(bǔ)償。它將當(dāng)前像素點(diǎn)值與相鄰的2個(gè)像素值進(jìn)行對(duì)比，用于比較的2個(gè)相鄰像素可以在圖8中所示的4種模板中選擇，從而得到該像素點(diǎn)的類型：局部最大、局部最小或者圖像邊緣。解碼端根據(jù)碼流中標(biāo)示的像素點(diǎn)的類型信息進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償校正。

4.2 自適應(yīng)環(huán)路濾波

自適應(yīng)環(huán)路濾波（ALF）在SAO或者去塊濾波后進(jìn)行，目的是為了進(jìn)一步減少重構(gòu)圖像與源圖像之間的失真。ALF采用二維維納濾波器，濾波系數(shù)根據(jù)局部特性進(jìn)行自適應(yīng)計(jì)算[17]。對(duì)于亮度分量，采用CU為單位的四叉樹(shù)ALF結(jié)構(gòu)[18]。濾波使用5×5，7×7和9×9三種大小的二維鉆石型模板，如圖9所示。濾波器計(jì)算每個(gè)4×4塊的Laplacian系數(shù)值，并根據(jù)該值將所有4×4塊分成16類，分別對(duì)應(yīng)16種濾波器[19]，每種濾波器的濾波系數(shù)通過(guò)自適應(yīng)維納濾波器進(jìn)行計(jì)算。

除上述基于像素的ALF分類外，提案[20]還提出了基于區(qū)域的ALF分類。此時(shí)，每幀將被劃分為16個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以包含多個(gè)LCU。每個(gè)區(qū)域使用同一種濾波器，濾波器系數(shù)同樣可以自適應(yīng)訓(xùn)練得到。

對(duì)于色度分量，濾波的選擇過(guò)程卻簡(jiǎn)單許多。首先，色度分量的濾波決策只需要在圖像層級(jí)上進(jìn)行。其次，濾波時(shí)色度分量統(tǒng)一使用5×5矩形濾波模板，不需要通過(guò)Laplacian系數(shù)來(lái)選擇濾波器類型。

5 熵編碼

CABAC是H.264的兩種熵編碼方案之一?，F(xiàn)有的CABAC編碼器采用串行處理的方式，解碼端需要足夠高頻率的計(jì)算能力方能實(shí)時(shí)地對(duì)高碼率的碼流進(jìn)行解碼，直接導(dǎo)致解碼功耗和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的增加。為了解決CABAC的吞吐能力問(wèn)題，JCT提出了熵編碼模型并行化的要求。所收集的提案大致從3個(gè)角度提出了并行化CABAC解決方案：基于比特的并行CABAC[21-23]，基于語(yǔ)法元素的并行[21]CABAC和基于片的并行CABAC。最后，基于語(yǔ)法元素的并行CABAC編碼方案（即SBAC）被HM模型所采納。目前，HM可支持上下文自適應(yīng)變長(zhǎng)編碼（CAVLC）和基于語(yǔ)法元素的上下文自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼（SBAC），分別用于低復(fù)雜度的編碼場(chǎng)合和高效的編碼場(chǎng)合。

SBAC的目的在于為具有不同統(tǒng)計(jì)模型的句法元素提供高效的編碼方式。在SBAC中[24]，句法元素被分成N個(gè)類別，每個(gè)類別并行地維護(hù)著自己的上下文概率模型及其更新?tīng)顟B(tài)，每個(gè)類別的句法元素可對(duì)應(yīng)一個(gè)或者多個(gè)概率表。因此，當(dāng)各個(gè)類別所處理的比特量較均衡時(shí)，與原有串行編碼器相比，并行編碼器的吞吐量將提高N倍。然而實(shí)際運(yùn)用中，各個(gè)類別的句法元素比特?cái)?shù)不可能均衡，因此編碼器吞吐量的提升將小于N倍。目前，HM中每一個(gè)句法元素都對(duì)應(yīng)著一個(gè)或者多個(gè)概率模型，不同句法元素間的初始概率模型可能相同，并且可為每一個(gè)語(yǔ)法元素的每一位設(shè)計(jì)其選擇概率模型的規(guī)則，以便為編碼器提供最準(zhǔn)確的概率估計(jì)。總體來(lái)說(shuō)，SBAC的編碼過(guò)程與原有的CABAC編碼過(guò)程大致相同，都包括語(yǔ)法元素值二進(jìn)制化、上下文概率模型選擇、概率估計(jì)與上下文概率模型更新、二進(jìn)制算術(shù)編碼4個(gè)部分。具體SBAC的句法元素分類辦法原則及其概率模型選擇辦法可進(jìn)一步參考文獻(xiàn)[21，24-27]。

6 總結(jié)

目前，HEVC的基本編碼框架已經(jīng)確定，但許多技術(shù)細(xì)節(jié)仍在不斷地研究中。專家組的主要力量集中在進(jìn)一步提高HEVC編碼效率以及降低其復(fù)雜度上。但除了提高HEVC編碼效率以及降低編碼復(fù)雜度的提案以外，許多研究人員已經(jīng)開(kāi)始研究HEVC的可伸縮編碼和多視點(diǎn)編碼方案，相關(guān)研究工作正在有計(jì)劃地展開(kāi)。與H.264 High Profile的編碼性能相比，目前HEVC已經(jīng)取得了40%左右的壓縮性能提升，而編碼復(fù)雜度也達(dá)到了150%左右，不同測(cè)試場(chǎng)景的編碼復(fù)雜度和性能提升程度有較大的差異。降低編碼復(fù)雜度仍然是HEVC發(fā)展的一項(xiàng)重要議題。2011年7月22日，第6屆JCT會(huì)議結(jié)束，本次會(huì)議總共提出了700多項(xiàng)提案，這些豐富的研究成果正極大地推動(dòng)著HEVC前進(jìn)的腳步。而HEVC的發(fā)展與完善必將極大地推動(dòng)高清、超高清視頻的應(yīng)用步伐，為人類獻(xiàn)上更豐富的視覺(jué)盛宴。

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