H.265/HEVC在编解码的设计上添加了多种新的语法结构，使得H.265/HEVC在压缩效率和网络适应性两个方面有显著提升。

一、编码结构

1、分层处理架构

视频序列是由若干连续时间连续的图像组成的，在对其进行压缩时，先将视频序列分割为小的图像组（GOP），GOP类型有两种：封闭式GOP和开放式GOP。所谓封闭式GOP是指每一个GOP都以IDR图像开始，各个GOP之间独立地编解码。而开放式GOP中，第一个GOP中的第一个帧内编码图像必须是IDR图像，后续GOP中的第一个帧内编码图像为non-IDR图像，因此后面GOP中的帧间编码图像可以越过non-IDR图像，用前一个GOP中的已编码图像做参考图像，二者示意图如图1。每一个GOP又被划分成多个片（Slice），片与片之间独立编解码。使用片的主要目的之一是可以在数据丢失的情况下重新进行同步。每一个片又由多个片段（SS）组成。一个SS在编码时，先被分割为大小相同的CTU，每一个CTU按照四叉树划分为不同类型的CU。
图1 两种不同的GOP类型

2、码流结构

H.265/HEVC压缩数据采用了类似H.264/AVC的分层结构，将数据GOP层、Slice层中公用的大部分语法元素游离出来，组成序列参数集（SPS）和图像参数集（PPS）。SPS包含了一个CVS中所有图像公用的信息，PPS包含一幅图像所用的公共参数，一幅图像的所有SS都引用同一个PPS。H.265/HEVC的语法架构中增加了视频参数集（VPS），包括多个子层共享的语法元素和其他不属于SPS的特定信息等。一个SS通过引用它所使用的PPS，该PPS又引用对应的SPS，该SPS又引用对应的VPS，最终得到SS的公用信息。

二、视频参数集（VPS）

VPS主要用于传输视频分级信息，有利于兼容标准在可分级视频编码或多视点视频编码的扩展。一个给定的视频序列，，无论每一层SPS是否相同，都参考相同的VPS。VPS包含的信息有：①多个子层和操作点共享的语法元素；②会话所需要的有关操作点的信息；③其他不属于SPS的操作点特性信息。

三、序列参数集（SPS）

在H.265/HEVC中，一个CVS由一个随机接入点开始，第一幅图像可以是IDR图像，也可以是non-IDR图像。non-IDR图像可以是BLA图像或CRA图像。一段视频码流，可能包含一个或多个CVS。SPS通过被PPS引用而作用于编码图像，一个CVS中所有被引用的PPS必须引用同一个SPS。SPS内容大致分为以下几个部分：①图像格式的信息；②编码格式的信息；③与参考图像相关的信息；④档次、层和级相关参数；⑤时域分级信息；⑥可视化可用性信息；⑦其他。

四、图像参数集（PPS）

编码视频流中，一个CVS包含多幅图像，每幅图像包括一个或多个SS，每个SS头提供了所引用的PPS标识号。同一幅图像的所有SS都用同一个PPS。SS使用PPS中的参数进行解码，解码开始时，所有PPS都是非激活状态，当解码过程在引用了某个PPS，这个PPS被激活，直到该图像解码结束，在解码的任意时刻最多只有一个PPS处于激活状态。PPS的内容大致分为以下部分：①编码工具的可用性标志；②量化过程相关句法元素；③Tile相关句法元素；④去方块滤波相关句法元素；⑤片头的控制信息；⑥其他编码一幅图像时可以共用的信息。

五、片段层

一个图像可以被分割为一个或多个片，每片的压缩数据独立，Slice头信息无法通过前一个Slice头信息得到，因此Slice不能跨越边界进行帧内或帧间预测，但在环路滤波时，允许滤波器跨越边界进行滤波。Slice可分为以下三种：①I Slice：帧内预测编码模式，所有的CU的编码过程都是帧内预测；②P Slice：单向预测编码模式和帧内模式，CU可以是帧内预测也可以是帧间预测，每个PB使用最多一个运动补偿预测信息，P Slice只使用图像参考列表list 0；③B Slice：双向预测或帧内模式，CU可以是帧内预测也可以是帧间预测，每个PB可以使用最大两个运动补偿预测信息，可以使用图像参考列表list 0和list 1。
一个独立的Slice可以被划分为若干SS，包括一个独立SS和若干依赖SS，并且以独立SS作为Slice的开始，一个SS包含整数个CTU。预测过程不能跨越独立Slice的边界，可以跨越依赖SS的边界。

六、Tile单元

H.265/HEVC对H.264/AVC的改进之处还在于Tile概念的提出。一幅图像不仅可以划分为若干Slice，也可以划分为若干个Tile，即从水平和垂直方向将一幅图像分割为若干矩形区域。每个Tile包含整数个CTU，可以独立解码。划分Tile的目的是增强并行处理能力的同事又不引入新的错误扩散。
Slice和Tile的划分目的都是为了独立解码，但划分方式不同，Tile形状为矩形，Slice为带状；Slice由SS组成，一个SS由一系列CTU组成，Tile直接由CTU组成。每个Slice/SS和Tile至少要满足以下两个条件之一：①一个Slice/SS的所有CTU属于同一个Tile；②一个Tile中的所有CTU属于一个Silce/SS。

七、树形编码快

H.265/HEVC引入了树形编码单元CTU，还为图像划分定义了一套全新语法单元，包括CU、PU、TU。CU是进行预测、变换、量化和熵编码等处理的基本单元，PU是进行帧内/帧间预测的基本单元，TU是进行变换和量化的基本单元。

1、编码单元（CU）

在H.265/HEVC中，CB的大小是可变的，亮度CB最大为6464，最小为88。大的CB可以在平坦区域提高编码效率，小的CB可以很好地处理图像局部的细节。
一幅图像被划分为互不重叠的CTU，在CTU内部，采用四叉树划分为CU。CU能否继续被划分取决于分割符号位Split flag，若Split flag=0，则不继续划分，反之Split flag=1，则继续划分，并且深度加1。

2、预测单元（PU）

预测单元（）PU规定了编码单元的所有预测模式，一切与预测有关的信息都定义在预测单元部分。对于一个2N2N的CU，帧内预测单元PU的可选模式有两种：2N2N和NN；帧间预测单元PU的可选模式有8种：2N2N、2NN、N2N、NN、2NnU、2NnD、nL2N、nR2N。skip模式是帧间预测模式的一种，当运动信息只有运动参数机索引，编码残差信息不需要编码时，为2N2N skip模式。
图2 H.265/HEVC预测单元的划分模式

3、变换单元（TU）

变换单元是独立完成变换和量化的基本单元，H.265/HEVC突破了原有的尺寸限制，可支持大小为44~3232的编码变换。大块的TU模式能将能量更好的集中，小块的TU模式可以保存更多的图像细节。

八、档次、层和级别

在H.264/AVC就有档次（profile）和级别（level）的划分，H.265/HEVC在此基础上定义了一个新的概念：层（Tier）。档次主要规定编码器可采用哪些编码工具或算法，级别是指根据解码端的负载和存储空间情况对关键参数加以限制。有些Level定义了两个Tier：主层（Main Tier）和高层（High Tier），主层用于大多数应用，高层用于最苛刻的应用。

1、档次

H.265/HEVC标准中提出了三种档次：Main、Main 10和Main Still Picture。它们的限制条件如下：①只支持4:2:0色度采样信号；②使用了Tier则不能使用WPP（波前并行处理），每一个Tier的亮度分辨率至少要为256*64；③Main和Main Still Picture档次支持八位像素深度，Main 10还支持10位像素深度，Main Still Picture不支持帧间预测。

2、层和级别

H.265/HEVC标准中定义了两个层和13个级别，两个层分别是Main Tier和High Tier。

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