视频编解码发展历程（从AVC到HEVC再到VVC）（二）

HEVC介绍
- 块划分
- 运动补偿或帧间预测
- 帧内预测
- 变换和量化
- 熵编码
- 环路滤波
- 系统和传输接口
- - 随机访问支持
  - 视频参数集(VPS)
  - 时间可扩展性支持
  - 配置文件、层级和级别
  - 假设参考解码器
- 高级图片分割
- 扩展
- - 范围扩展 (RExt)
  - 可扩展HEVC扩展 (SHVC)
  - 多视图(MV-HEVC)和3-D扩展(3-D-HEVC)
  - 屏幕内容编码（SCC）扩展

HEVC介绍

HEVC 标准的第一版于2013年1月定稿，并被批准为ITU-T H.265和ISO/IEC 23008-2。当时，新型数字视频和应用层出不穷。这些包括超高清的图片分辨率，例如4k/UHD，以及更宽的色域和HDR，这两者都需要将每个颜色分量样本的位深度从8位增加到10位。与此同时，由于显示技术的进步（数字平板取代了模拟阴极射线管显示器），隔行扫描视频等其他格式变得不那么重要了。虽然AVC结合了针对隔行视频优化的块级功能，HEVC不会为此给解码器带来额外的复杂性，而是仅提供一种基本但高效的图片级方法来使用与逐行扫描视频相同的块级编码工具对隔行视频进行编码。

HEVC的第一个版本 (v1) 概括和改进了超越 AVC 概念的混合视频编码，通常侧重于更高分辨率和改进的编码效率。下面概述了混合视频编码设计的每个部分的主要特征，并简要描述了其高级图片分块方式以及与系统和传输层的接口。

块划分

如前所述，HEVC引入了一种灵活的、基于四叉树的块划分方案，其中包括更大的块大小。这种划分方案的特点如下所述。

编码树单元和基于四叉树的块划分：在AVC以及自H.261以来的先前标准中，宏块表示用于混合编码方案的预测和后续变换步骤的进一步划分的基本处理单元。宏块的大小是预测中使用的最大大小，固定为16×16亮度样本。彩色视频具有三个颜色分量平面，因此，除了亮度样本外，宏块还有两个色度样本块，它通常具有亮度块的一半宽度和一半高度——称为4:2:0色度格式的采样格式。其他不太广泛使用的格式是4:4:4，其中色度平面具有与亮度相同的分辨率，4:2:2，其中色度具有一半的宽度但与亮度相同的高度。单色视频只有一个分量平面，有时称为4:0:0。随着图像分辨率的提高，同质区域可以覆盖比这更大的区域，而16×16的大小阻止了这些区域的有效编码。因此，增加最大块大小对于编码更高分辨率的视频变得很重要。在HEVC中，宏块被编码树单元(CTU) 替换。一个CTU覆盖的图片区域是由编码器为整个视频编码序列CVS选择的，可以设置为16×16、32×32或64×64亮度样本。CTU构成了一个编码四叉树的根，它将每个CTU区域递归地分割成四个较小的正方形区域。递归划分通过发送一系列二进制值分裂标志来有效地发出信号，直到达到叶节点指示或最大允许划分深度。在HEVC（和VVC）中，一个CTU包含样本块和对其进行编码的语法。因此，非单色视频的CTU包含三个编码树块 (CTB)，每个颜色分量一个。

编码单元(CU) 是编码四叉树的叶子，定义了图片的相应区域是使用帧间预测还是帧内预测进行预测。CU块大小的范围可以是2的幂，从64×64亮度样本的最大CTU区域到8×8的最小块大小。上图显示了将CTU划分为CU的示例四叉树。可以看出，图片的平坦、均匀区域被大块覆盖，而带有边缘的细节和结构则使用较小的块来近似。

预测单元（PU）是为了对CU的不同部分具有不同的预测数据集，即运动信息或帧内预测模式而对CU进行潜在进一步划分的结果。对于以帧间预测模式编码的CU，定义了八种不同的划分模式，如上图所示。这允许具有不同矩形形状的运动补偿预测，即使用的是窄矩形，即当一侧比另一侧大两倍以上时，这在AVC中是不可能的。这些模式如图 4所示，称为非对称运动分区。对于帧内编码的CU，仅允许将四边形拆分为PU。但是，帧内编码的PU仅定义帧内预测模式，而预测的大小由变换大小定义，如下所述。
变换单元(TU)和残差四叉树变换(RQT)用于进一步拆分CU，以便使用另一个嵌套四叉树划分（以CU作为根，TU作为叶）来变换预测残差。虽然最有效的AVC配置文件（其高配置文件）定义了4×4和8×8（整数）DCT，但HEVC 中的RQT进一步允许DCT使用更大的变换尺寸，即16×16和32×32。这种额外的灵活性使编码器能够适应DCT 变化的空间频率特性。因为每个TU具有三个颜色分量，所以每个TU包含三个变换块 (TB)。HEVC中的TB始终是正方形，其宽度和高度均为2的幂。然而，对于帧间编码的CU，单个TU可以跨越多个PU，例如，两个矩形PU。这在以前的标准中是不允许的，例如AVC，其中变换大小始终是预测大小的子集。对于帧内编码的CU，预测实际上是在TU级别执行的，每个TU的预测依赖于另一个首先需要重建的TU中的相邻样本，并且重建需要对相邻块执行预测和逆变换。由于将CU拆分为更小的TU也增加了更小的块与相邻参考样本之间的相关性，因此基于TU的预测过程还为帧内预测带来了额外的编码效率。

运动补偿或帧间预测

HEVC中的运动补偿预测与AVC一样，使用具有四分之一亮度样本精度的亮度MV的平移运动模型，能够使用单预测（使用一个MV和一个参考图片生成的运动补偿预测）或双预测（通过对以这种方式使用两个MV和参考图片的预测进行平均而生成的预测）来引用多个存储的参考图片。除此之外，HEVC 还包括以下改进。

更高质量的插值滤波是通过引入更长的滤波器并去除中间舍入步骤来实现的。在AVC中，亮度的四分之一样本值是通过应用六抽头滤波器来生成相邻的半样本值或多个值，将结果四舍五入到样本位深度，然后平均两个相邻值来计算的。对于色度样本，AVC仅对所有位置应用两次抽头过滤。HEVC引入了一致的可分离插值过程，无需对所有位置进行中间舍入，使用八抽头滤波器（具体而言，亮度半像素位置的八抽头滤波器和四分之一像素位置的七抽头滤波器）。对于色度分量位置，使用不同的（4抽头）滤波器。

改进的运动数据编码是通过使用预测变量列表和块合并来预测MV值来实现的，块合并基于相邻运动数据导出完整的运动信息。通常，使用MV预测(MVP)和MV的差值 (MVD)对MV的分量进行差分编码。在AVC中，单个MVP 是使用中值或方向预测从多达四个已编码的空间相邻MV中得出的。HEVC通过显式地发信号通知源自五个空间相邻和两个时间上同位置的MV的两个潜在MVP候选者之一来替换隐式推导，其中“时间同位置”是指在对特定先前解码图片中的相应位置进行编码时使用的MV。使用显式信令在MVP候选者中进行选择被称为高级MVP (AMVP)。在AVC和HEVC中，基于MVP的运动数据编码仍然需要指示是应用单向预测还是双向预测，并且对于每个MV，需要指示它引用哪个存储的参考图片。为帧间参考构建了两个参考图片列表 (RPL)，称为列表0和列表1，其中一个列表中的一张图片用于执行单向预测，列表0中的一张图片和列表1中的一张用于双向预测。这种列表中的参考图片是通过称为参考图片索引的列表中的索引来选择的。AVC中所谓的直接或跳过模式不发送任何运动数据；相反，MV 和参考索引来自空间和时间相邻的块。单预测帧中的跳过模式是从MVP列表0中导出的MV，并且列表0参考图片索引为0，指的是列表中的第一个参考图片。在双预测帧中，空间直接或跳过模式从空间相邻块中导出列表0和列表1中的MV和参考图片索引，而时间直接或跳过模式从时间同位置块中导出列表0和列表1中的MV和参考索引。跳过模式的选择进一步表明当前块没有编码残差。HEVC通过引入块合并来取代直接和跳过模式，块合并从五个合并候选者之一导出运动数据。候选者是从空间或时间上相邻的块中导出的，并且仅用信号通知合并索引以在合并候选者中进行选择。这创建了相同运动数据的区域，从而使我们能够在来自不同四叉树分支的块边界上联合编码具有相同运动的区域。AMVP和合并模式的组合对于在解码视频中建立连贯的运动表示是非常有效的。HEVC中的跳过模式就是在没有编码残差数据的情况下merge模式，即属于merge模式的特殊情况。

帧内预测

原则上，HEVC帧内预测采用与AVC相同类型的模式，即DC、平面和角度模式。不过，由于HEVC具有更大块大小且更灵活的块划分结构，因此帧内主要有以下改进。

角度数量增加：从AVC中的8个角度扩展到HEVC中的33个角度，用于方向预测。由于HEVC的块大小更大，因此其可用的参考样本数量也会随之增加。这种增加主要来自添加左下角到右上角的对角线方向，并使用更精细的角度分辨率，在水平和垂直方向周围覆盖更密集。通过在具有1/32样本精度的参考样本位置之间使用双线性插值，还可以继续提高预测精度。

改进的最可能模式 (MPM) 编码：由于预测模式数量增加，该改进得以引入。在AVC中，可以使用从周围块推断出的模式作为MPM的标志或使用固定长度代码在不太可能的模式中进行选择来用信号通知预测模式。HEVC通过从当前块左侧和上方的相邻块的模式构建三个MPM的列表来扩展MPM概念。MPM索引指示选择了哪个MPM，如果选择了非MPM模式，则固定长度代码指示其余31种模式之一。

变换和量化

如前所述，具有嵌套RQT的编码四叉树的引入允许可变的2次幂变换大小从4×4到32×32。与在AVC中一样，应用整数变换以避免依赖于实现的精度问题。HEVC中的二维核心变换是缩放的DCT基函数的整数近似值，通过对行和列依次应用一维变换来实现。所有四个基于DCT的整数变换的基函数都被设计为可以通过子采样从32点变换的基函数中提取。除了这些新的基于DCT的整数变换之外，HEVC中还引入了以下额外的与变换相关的功能。

当块大小为4×4时，离散正弦变换 (DST) 代替DCT用于由帧内方向预测产生的预测残差。使用DST的原因是：发现在预测误差随着与块边界之一的距离增加而增加的情况下，DST提供更好的能量压缩，这通常是由于与参考边界的距离增加而导致的帧内预测的情况。与DCT一样，DST也被简化并合并为二维可分离变换。它的基是缩放DST基函数的整数近似值。由于较大块大小和相关实现复杂性的压缩优势有限，因此DST仅限于4×4亮度TB。

Transform skip是另一种跳过变换步骤的模式，而是直接在空间域中对残差样本进行量化和编码。对于某些视频信号，例如具有锐利边缘的计算机生成的屏幕内容，应用变换有时会降低编码效率。跳过此类内容的变换解决了这个问题，还可以避免“振铃”伪影。

变换和量化旁路允许编码器跳过变换和量化，以实现数学上无损的端到端编码。CU级标志控制此模式，从而实现高效的区域无损编码。

符号数据隐藏用于有条件地跳过4×4子块中第一个非零系数的符号位的信令。当未编码时，符号位是从系数幅度之和的奇偶校验中推断出来的。为了实现这一点，编码器需要选择一个系数并在奇偶校验不指示第一个系数的正确符号的情况下改变其幅度。

熵编码

与CAVLC相比，AVC CABAC熵编码方法的更高编码效率促使决定将CABAC作为HEVC中唯一的熵编码方法。基本的CABAC设计与AVC中的相同，具有以下特点：

通过减少符号间依赖来增加解析吞吐量，特别是对于并行处理硬件架构；
通过减少用于存储和适应概率模型的上下文数量来减少内存；
改进的变换系数编码具有系数扫描和上下文建模，专为更大的块大小而设计，以提高编码效率。

环路滤波

来自AVC的环路滤波保留在HEVC中（带有稍微修改的去块滤波器），并添加非线性环路滤波器作为额外的滤波阶段，如下所示。

与AVC中使用的4×4网格相比，HEVC中通过在8×8网格上对齐应用了去块滤波器的水平和垂直块边缘来启用并行处理，从而更好的去除块效应。给定边缘每侧的最大过滤范围为四个像素，可以并行过滤每个8×8块。

HEVC中引入了样本自适应偏移 (SAO)，它由两个可选择的非线性滤波器组成，旨在衰减在经过去块滤波器后重建图像中的不同伪影。这两个滤波器都涉及对样本进行分类并应用幅度映射函数，这些函数为属于同一类的样本添加或减去偏移量。第一个称为边缘偏移，旨在减弱振铃伪影。边缘偏移针对四个梯度（水平、垂直和两条对角线）将每个样本分类为五个类别（平坦区域、局部最小值、左边缘或右边缘或局部最大值）之一。第二个称为波段偏移，旨在减弱条带伪影。它将样本值的范围（例如，8位视频的0-255）细分为32个等间隔的波段。对于四个连续的频段，一个频段特定的偏移值被添加到四个频段中的所有样本。边缘偏移的梯度方向、带偏移的四个连续频带中的第一个以及四个偏移值在编码器处估计并在CTU基础上用信号发送。

系统和传输接口

HEVC继承了AVC的基本系统和传输接口设计。这些包括网络抽象层 (NAL) 数据单元语法结构、分层语法关系、视频可用性信息(VUI) 和补充增强信息(SEI) 消息机制，以及基于假设参考解码器 (HRD)的视频缓冲模型。分层句法和数据单元结构由序列参数集 (SPS)、多图片级图片参数集 (PPS)、切片级标头语法和较低级别编码的切片数据组成。下面简要总结一下HEVC v1中与AVC有本质区别的系统和传输接口方面。为简单起见，除非另有说明，否则“HEVC”表示HEVC v1。

随机访问支持

随机访问是指从不是比特流中按解码顺序的第一张图片的图片开始对比特流进行解码。为了支持广播/组播和多方视频会议中的调谐和频道切换，本地播放和流媒体中的搜索，以及流媒体中的流适配，比特流需要包括相对频繁的随机访问点，这些随机访问点通常是帧内编码图片，但也可能是帧间编码图片（例如，在渐进解码刷新 (GDR) 的情况下，如下文进一步讨论的那样）。

HEVC通过NAL单元类型在NAL单元标头中包含帧内随机访问点(IRAP)图片的信令。支持三种类型的IRAP图片，即瞬时解码器刷新(IDR)、干净随机访问(CRA)和断链访问(BLA)图片。IDR图片约束帧间预测结构不参考当前GOP 之前的任何图片，并且通常被称为封闭GOP随机访问点。通过允许某些图片参考当前GOP之前的图片，CRA图片的限制较少，所有这些图片在随机访问的情况下都会被丢弃。CRA图片通常被称为开放GOP随机访问点。BLA图片通常源自在CRA图片处将两个比特流或其部分拼接在一起，例如，在流切换期间。为了更好地系统使用IRAP图片，总共定义了六种不同的NAL单元类型来表示IRAP图片的属性，这些属性可用于启用各种类型的比特流接入点，例如在ISO基本媒体文件格式(ISOBMFF)中定义的那些，它们用于支持HTTP动态自适应流(DASH)中的随机访问。

视频参数集(VPS)

HEVC中引入了一种称为VPS的新型参数集。虽然在HEVC v1中引入，但是VPS对于提供多层比特流特性的“大图”特别有用，包括提供什么类型的操作点、操作点的配置文件、层和级别 (PTL)，层依赖信息等等。

时间可扩展性支持

HEVC通过在NAL单元标头中发送时间ID变量并施加限制，即特定时间子层的图片不能用于较低时间子层的图片的帧间预测参考，从而支持时间可扩展性（例如，用于从高帧率比特流中提取低帧率视频）。还规定了子比特流提取过程，要求每个子比特流提取输出必须是符合要求的比特流。媒体感知网络元素(MANE)可以将NAL单元标头中的时间ID用于基于时间可伸缩性的流自适应。

配置文件、层级和级别

为了限制特定应用程序支持的功能集，视频编码标准定义了所谓的配置文件。HEVC v1定义了以下三个配置文件：

限制为仅支持4:2:0色度格式和每个像素8位比特的主配置文件；
Main 10配置文件，它基于主配置文件，支持的比特深度扩展到每个颜色分量10位；
主静态图片配置文件，该配置文件也基于主配置文件，但仅限于在一个比特流中只有一张图片。

除了配置文件，HEVC 还定义了所谓的级别和层级。级别基于句法元素的值及其算术组合对比特流施加限制，例如，作为空间分辨率、比特率、帧率和图片缓冲容量的组合。AVC和HEVC级别规范在精神上大致相似，但有几个显着差异：

HEVC 中指定的级别数量少于AVC，特别是对于图像分辨率限制较低的级别
对于图片尺寸相对较小的操作，大多数级别的AVC支持的最高帧速率为172帧/秒，而对于HEVC，则增加到300 帧/秒。这两种差异都是为了响应视频图像分辨率和帧速率随着时间的推移变得越来越高的总体趋势。HEV中新引入了层的概念，主要是为了为需要比视频分发应用程序更高质量的视频贡献应用程序建立高比特率能力。

假设参考解码器

AVC使用基于图片的HRD操作指定缓冲区流模型，其中图片包含在具有指定时序的访问单元(AU) 中。在HEVC中，为了改进对超低延迟应用的支持，引入了一种HRD操作的替代模式，该模式对较小的数据单元进行操作。它指定了编码器的一致性行为，在对同一图片的其余区域进行编码之前，将图片的一部分作为解码单元(DU) 连同随附的定时信息一起发送，同样的，对于解码器而言，能够使用DU的时序在接收图像的其余部分之前开始解码接收的区域。

高级图片分割

在AVC中，图片的编码宏块在切片中组合在一起，每个切片都可以独立于同一图片中的其他切片进行解码。引入时，切片的主要目的之一是用于最大传输单元(MTU)大小匹配，以提高信道损耗恢复能力，尽管它们也可用于并行编码。在HEVC中，保留了基本的切片概念，切片以光栅扫描顺序将连续的CTU组合在一起。灵活宏块排序和任意切片排序的更复杂切片概念尚未被业界广泛接受，因此并未从AVC继承。相反，HEVC引入了新概念，主要促进并行处理（此概念是HEVC为更高分辨率的视频而设计的一个重要功能）。

Tile代表另一种矩形的CTU分组，用于将图片划分为行Tile和列Tile。图片中的Tile按光栅扫描顺序处理，每个Tile中的CTU在处理下一个Tile中的CTU之前按Tile内的光栅扫描顺序处理。切片可以包含整数个完整Tile，使得所有Tile共享相同切片标头(SH)信息，或者Tile可以包含整数个切片，其中每个切片都是Tile的子集。Tile的初衷是为更高分辨率的视频启用并行编码和解码。然而，随着360°沉浸式视频的出现，当与编码器限制和元数据结合使用时，Tile对于全向视频流也很有用。如果编码器限制其使用的MV以避免引用特定Tile之外的参考图片的任何区域，如果从比特流中的每个图片中提取这组Tile，则包含这些Tile的切片仍然可以解码。这样的集合被称为运动约束Tile集合 (MCTS)。最近的系统级功能，尤其是沉浸式视频，广泛使用了MCTS。

波前并行处理(WPP)允许并行处理多个CTU行以进行解码（或编码）。启用WPP时，CABAC上下文变量的内部状态不会从前一行中最右侧的CTU转移到CTU行的开头，而是从前一行中的第二个CTU。这允许解码器（或编码器）开始处理具有两个CTU偏移量的下一行。应该注意的是，WPP术语没有出现在HEVC规范中，因为解码器（和/或编码器）是否实际上利用了特征的并行机会是实现选择的问题；在标准中，这称为熵编码同步。

非独立切片段以将编码切片的单独成帧提供为多个NAL单元已经被引入。一个切片被分成一个初始的、独立的切片段，其中包含一个完整的SH和后续的从属切片段，每个切片都包含一个缩写的SH。从属切片段对于限制NAL单元中的最大数据量或与WPP结合的系统中的MTU大小匹配特别有用，其中每个CTU行都可以在从属切片段中打包和传输。

扩展

HEVC的第一个版本仅限于4:2:0色度格式的视频信号，每个样本最多10位，并针对面向消费者的在YCBCR色彩空间中具有2D、单层相机捕获的内容的应用进行了优化。2014年10月，HEVC的第二个版本(v2)最终确定，其中格式范围扩展 (RExt) 添加了对要求更高的更高质量应用程序的支持、可扩展性的多层扩展以及 3-D 多视图视频编码。 HEVC的第三个版本(v3)于2015年2月完成，并增加了对3-D视频与深度图的组合编码的支持。2016年2月，第四个版本(v4)中添加了最后一个主要扩展，用于屏幕内容的编码。下面给出了这些扩展的简短摘要。

范围扩展 (RExt)

HEVC范围扩展的主要目标是通过支持高质量分发广播(4:2:0, 12 bit)、贡献(4:2:2, 10 and 12 bit)、制作和高保真内容获取(4:4:4, 16 bit, RGB, high bit rate)、医学成像(4:0:0 monochrome, 12–16 bit, nearlossless)、alpha通道和深度图(4:0:0 monochrome, 8-bit)、高质量静态图片(4:4:4, 8–16 bit,arbitrarily high picture size)和许多其他应用程序扩展HEVC v1面向消费者的4:2:0 8-10位范围。RExt引入的修改可以分为以下三类。

支持超过4:2:0的色度格式和超过10位每个样本的位深度的视频格式修改已保持在最低限度。在这里，选择了一种相当保守的方法来支持4:2:2和4:4:4色度格式，而不会与HEVC v1产生不必要的分歧。修改包括使用现有语法和变换逻辑扩展TB分区，以及调整帧内预测角度以支持出现在4:2:2色度格式中的非方形矩形块。对于更高的位深度，仅扩展SAO和插值精度。

扩展格式、无损和近无损编码的编码效率改进是通过修改后的HEVC v1工具以及引入新工具实现的。从HEVC v1开始，主要是将变换跳过模式扩展到更大的块大小，并结合修改后的残差编码（具有单独的CABAC上下文模型和残差旋转）。除此之外，Rext还包括三个新工具来提高编码效率：自适应色度QP偏移允许在色度量化方面具有更大的灵活性，交叉分量预测(CCP)通过使用线性模型预测亮度的色度空间残差，利用4:4:4视频的亮度和色度通道之间剩余的统计冗余，残差差分脉冲编码调制（RDPCM）旨在减少空间残差信号在跳过变换时剩余的冗余。

非常高比特率和比特深度的精度和吞吐量优化主要通过两种方法实现。首先，变换系数和逆变换处理的扩展精度能够实现具有高位深度的高效编码。其次，CABAC的修改允许使用单个位掩码和移位操作对多个编码位进行解码，并且可以在非常高的比特率下增加CABAC解析吞吐量。

可扩展HEVC扩展 (SHVC)

在HEVC v2中，v1的时间可扩展性通过空间、质量、位深度和色域可扩展性以及这些的组合进行扩展。可扩展性基于依赖于多个单层HEVC v1解码器的多层架构，也就是说，它不修改块级解码工具。从较低层重建较高增强层，例如，从HD基础层重建UHD以实现空间可扩展性，是通过添加层间参考图片处理模块（包括纹理和运动重采样以及颜色映射）的图片参考实现的。一方面，这允许重用HEVC v1解码器内核，但另一方面，通过需要多个HEVC v1内核和附加模块，使用这种架构实现符合SHVC的解码器会增加处理要求。

多视图(MV-HEVC)和3-D扩展(3-D-HEVC)

基于HEVC v2中引入的相同多层设计以及可扩展扩展，与HEVC v1的多播或帧打包相比，多视图和3-D扩展显着改善了3-D视频的编码。类似于AVC多视图扩展MV-HEVC（在HEVC 的v2中），图片的每个视图都将在具有层间预测的单独层中进行编码。3-D-HEVC（在HEVC的v3中）通过对视图及其深度图进行编码来扩展它，这允许渲染额外的中间视图。特别是对于深度图编码，利用了视频纹理和深度图之间的统计依赖性。这引入了新的块级编码工具，与HEVC v1.5相比，3-D-HEVC需要新的解码器内核。

屏幕内容编码（SCC）扩展

屏幕共享和游戏等应用主要基于计算机生成或混合的内容。直到HEVC v1的所有视频编码标准主要是为相机捕获的视频而设计的，这导致对屏幕内容中存在的不同信号特征的利用欠佳。HEVC SCC（在 HEVC版本4中）通过引入新工具来利用这些特性，包括帧内块复制(IBC)、调色板模式、自适应颜色变换(ACT)和自适应MV分辨率 (AMVR)。

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