H.265关键技术研究

［张萍 刘晓玲］

H.265关键技术研究

［张萍 刘晓玲］

H.265是新一代视频编码标准，沿用了H.264的混合视频编码框架，但又有新的技术亮点。对比H.264标准，H.265的压缩效率有了显著提高，编码同等质量的视频较H.264可节省约一半的码流，并增加了更多的并行机制和网络传输机制。对H.265的关键技术进行综述，着重分析编码结构、帧内/帧间预测、自适应补偿、并行编码及对H.264的关键改进。

H.265 H.264 视频编码

张萍

硕士，中国电信股份有限公司广州研究院，研究方向：视频编解码算法、云视频转码、互联网应用、云计算。

刘晓玲

硕士，中国电信股份有限公司广州研究院，研究方向：视频编解码算法、视频云转码，自然语言处理、知识管理。

1 背景

伴随高清、超高清4K乃至8K视频的兴起，海量的高清、超高清视频数据对存储提出新要求，其传输及点播应用对网络带宽也提出了诸多挑战。当前普遍采用的H.264视频压缩标准已无法满足需求，亟需一种更高分辨率、更高压缩率、更高质量的编码标准。

2013年ITU-T视频编码专家组与ISO/IEC动态图像专家组联合成立了视频编码联合协作组（JCT-VC），并推出H.265/HEVC标准［1］。相比H.264标准，H.265的压缩效率有了显著提高，编码同等质量的视频较H.264可节省40%～50%的码流，并增加了更多的并行机制和网络传输机制。例如，采用H.264标准需4M码率才能保证图像质量的1080P视频，采用H.265标准码率可降到2M左右，显而易见采用H.265能有效降低高清视频的存储成本和传输时对网络带宽的要求。此外，H.265还支持4K、8K等超高清视频格式。

2 H.265的技术亮点

H.265沿用了H.264的混合视频编码框架［2］，但又有新的技术特点，如图1所示，其核心编码模块包括：帧内/帧间预测、变换及量化、去块滤波器、熵编码等。针对超高清清视频的编码及并行处理，H.265定义了灵活的块结构，同时对各个编码模块进行了优化和改进，又增加了新的编码模块（如SAO），使得压缩效率得到显著提高。

图1 H.265编码框架

2.1 树型编码结构

类似H.264宏块，H.265把一帧图像分割成互不重叠的编码树单元（CTU）。与传统宏块不同，CTU的大小可从16x16扩展到64x64，在高分辨率视频编码中，大尺寸的CTU可获得更好的压缩效率。CTU可通过四叉树递归分解成多个编码单元（CU），如图2所示编码树单元的四叉树分解［3］。四叉树结构使得H.265能够根据当前块的局部特性自适应地进行分块处理，在平滑区域采用较大的编码单元，而在纹理细节区域采用较小的编码单元。

图2 编码树单元的四叉树分解

在帧内/帧间预测模式下，一个CU又可划分成多个预测单元（PU），在变换和量化模式下，一个CU同样可以划分成多个转换单元（TU）。CU、PU和TU三个单元的相互独立，使得编码、预测、变换及量化各环节可分别优化，整体更加灵活高效。

2.2 帧内预测技术

帧内预测是利用已编码的相邻块的重构图像预测当前块，H.265扩展了帧内预测模式，提供了33种方向性帧内预测方式，以及DC和Planar两种平面预测方式［3］。与H.264相比较，H.265中方向性帧内预测的角度划分更细，可以增加预测的精度，减小图像残差数据的产生，增加数据压缩效率。

2.3 帧间预测技术

运动补偿是帧间预测的重要方法，插值方法用于计算运动补偿中非整数位置的像素值。H.264对1/4像素采用二次插值，先通过6阶插值滤波器计算1/2像素值，再采用线性插值得到1/4像素值。而H.265对1/2像素的插值采用对称的8阶滤波器，对1/4像素采用非对称的7阶滤波器。H.265这种采用高阶滤波器的单次插值方法，避免了中间过程的取整操作，提高了插值运算的精度。

H.265利用时域/空域运动向量的相关性，设计了更为复杂帧间预测模式，定义了Skip、Merge、Inter三种模式，其中Skip模式和Merge模式的每个预测单元（PU）的运动参数可直接由相邻的已编码块导出，因而只需编码一个指向参考块位置的索引。

2.4 采样自适应补偿

与H.264类似，H.265在编码环路内采用了去块滤波器减少块效应、振铃效应，但在去块滤波器之后引入了采样自适应补偿（SAO）技术。SAO对重建并经环路滤波后的图像进行处理，对不同类别的像素加上一个偏移值，从而降低原始图像与重构图像间的整体失真，提高压缩率并减少码率。

2.5 并行编码技术

为增强并行处理能力，H.265标准引入了Tile并行、错峰并行（WPP）、Slice并行等新特性。Tile并行中，图像按水平和垂直两个方向划分成很多矩形区域，即Tile，Tile间相互独立并可实现并行处理。Slice并发，一个Slice允许划分成多个子条带，每个子条带可独立编码。WPP并行，上一行的第二个LCU处理完毕，允许对当前行进行编码操作，从而进一步提高编码器的并行处理能力。

2.6 对H.264的关键改进

针对视频高清化和编码并行化，H.265对各模块进行了大幅改进，提高了算法复杂度以获得更好的压缩效率，对H.264的关键改进如表1所示［4］。

表1 H.265对H.264的关键改进

3 应用展望

H.265是继H.264之后的新一代视频编码标准，具有优良的网络适应性、并行处理能力及压缩效率。但H.265的算法复杂度相比H.264提高了2～10倍，采用H.265的实时编码对计算机硬件性能提出更高要求。

目前国内外主要的编码设备厂商正在积极参与H.265标准的研究，随着H.265编解码芯片的推出，H.265标准将逐渐取代H.264广泛应用到高清、超高清视频的压缩编码、网络传输，促进高清、超高清电视节目、网络视频的普及。

1High Efficiency Video Coding，Rec.ITU-T H.265 And ISO/ IEC23008-2，2013 G.J.Sullivan，J.Ohm，W.Han，T.Wiegand，“Overview of

2the High Efficiency Video Coding，” in IEEE TCSVT，vol.22，no.12，pp.1649-1668，2012

3新一代视频编码标准HEVC的关键技术.数据采集与处理.Vol.29，No.01，2014

4下一代视频编码标准H.265的核心技术研究.计算机技术与发展.Vol.24，No.04，2014

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.011

（2016-09-14）