HEVC/H.265与AVC/H.264对比总结
HEVC(H.265)的技术亮点
图 1 编码单元（ CU ）、预测单元（ PU ）、变换单元（ CU ）
作为新一代视频编码标准，HEVC（H.265）仍然属于预测加变换的混合编码框架。然而，相对于H.264，H.265 在很多方面有了革命性的变化。HEVC（H.265）的技术亮点有：
1. 灵活的编码结构
在 H.265 中，将宏块的大小从 H.264 的 16 × 16 扩展到了 64 × 64 ，以便于高分辨率视频的压缩。同时，采用了更加灵活的编码结构来提高编码效率，包括编码单元（ Coding Unit ）、预测单元（ Predict Unit ）和变换单元（ Transform Unit ）。如图 1 所示：
图 1 编码单元（ CU ）、预测单元（ PU ）、变换单元（ CU ）
其中编码单元类似于 H.264/AVC 中的宏块的概念，用于编码的过程，预测单元是进行预测的基本单元，变换单元是进行变换和量化的基本单元。这三个单元的分离，使得变换、预测和编码各个处理环节更加灵活，也有利于各环节的划分更加符合视频图像的纹理特征，有利于各个单元更优化的完成各自的功能。
2. 灵活的块结构——RQT（Residual Quad-tree Transform）
RQT 是一种自适应的变换技术，这种思想是对 H.264/AVC 中 ABT （ Adaptive Block-size Transform ）技术的延伸和扩展。对于帧间编码来说，它允许变换块的大小根据运动补偿块的大小进行自适应的调整；对于帧内编码来说，它允许变换块的大小根据帧内预测残差的特性进行自适应的调整。大块的变换相对于小块的变换，一方面能够提供更好的能量集中效果，并能在量化后保存更多的图像细节，但是另一方面在量化后却会带来更多的振铃效应。因此，根据当前块信号的特性，自适应的选择变换块大小，如图 2 所示，可以得到能量集中、细节保留程度以及图像的振铃效应三者最优的折中。
图2 灵活的块结构示意图
3．采样点自适应偏移（Sample Adaptive Offset）
SAO 在编解码环路内，位于 Deblock 之后，通过对重建图像的分类，对每一类图像像素值加减一个偏移，达到减少失真的目的，从而提高压缩率，减少码流。
采用 SAO 后，平均可以减少 2%~6% 的码流 , 而编码器和解码器的性能消耗仅仅增加了约 2% 。
4．自适应环路滤波（Adaptive Loop Filter）
ALF 在编解码环路内，位于 Deblock 和 SAO 之后，用于恢复重建图像以达到重建图像与原始图像之间的均方差（ MSE ）最小。 ALF 的系数是在帧级计算和传输的，可以整帧应用 ALF ，也可以对于基于块或基于量化树（ quadtree ）的部分区域进行 ALF ，如果是基于部分区域的 ALF ，还必须传递指示区域信息的附加信息。
5 ．并行化设计
当前芯片架构已经从单核性能逐渐往多核并行方向发展，因此为了适应并行化程度非常高的芯片实现，HEVC/H265引入了很多并行运算的优化思路， 主要包括以下几个方面：
(1) Tile
如图 3 所示，用垂直和水平的边界将图像划分为一些行和列，划分出的矩形区域为一个 Tile ，每一个 Tile 包含整数个 LCU(Largest Coding Unit) ， Tile 之间可以互相独立，以此实现并行处理：
图3 Tile划分示意图
(2) Entropy slice
Entropy Slice 允许在一个 slice 内部再切分成多个 Entropy Slices ，每个 Entropy Slice 可以独立的编码和解码，从而提高了编解码器的并行处理能力：
图4每一个slice可以划分为多个Entropy Slice
(3) WPP（Wavefront Parallel Processing）
上一行的第二个 LCU 处理完毕，即对当前行的第一个 LCU 的熵编码（ CABAC ）概率状态参数进行初始化，如图 5 所示。因此，只需要上一行的第二个 LCU 编解码完毕，即可以开始当前行的编解码，以此提高编解码器的并行处理能力：
图 5 WPP 示意图
6 ． H.264 中已有特性的改进
相对于H.264，H.265标准的算法复杂性有了大幅提升，以此获得较好的压缩性能。H.265在很多特性上都做了较大的改进，如表2所示：
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H.264
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MB/CU 大小
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4×4 ~ 16×16 | 4×4 ~ 64×64 |
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亮度插值
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Luma-1/2 像素 {1,-5,20,20,-5,1}
Luma-1/4 像素 {1,1}
|
Luma-1/2 像素 {-1,4,-11,40,40,-11,4,-1}
Luma-1/4 像素 {-1,4,-10,57,19,-7,3,-1}
Luma-1/4 像素 {-1,3,-7,19,57,-10,4,-1}
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|
MVP 预测方法
|
空域MVP预测 |
空域 + 时域 MVP 预测
AMVP\Merge
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亮度 Intra 预测
|
4×4 / 8×8 / 16×16：9/9/4模式 |
34 种角度预测 +
Planar 预测 DC 预测
|
|
色度 Intra 预测
|
DC, Horizontal, Vertical, Plane |
DM, LM,
planar, Vertical, Horizontal, DC, diagonal
|
|
变换
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DCT4×4/8×8 |
DCT4 × 4/8 × 8/16 × 16/32 × 32
DST4x4
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|
去块滤波器
|
4x4和8x8边界Deblock滤波 | 较大的CU尺寸，4x4的边界不进行滤波 |
表2 H.264和H.265关键特性对
主要SIZES上区别见上图！
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HEVC(H.265)的技术亮点
图 1 编码单元（ CU ）、预测单元（ PU ）、变换单元（ CU ）
作为新一代视频编码标准，HEVC（H.265）仍然属于预测加变换的混合编码框架。然而，相对于H.264，H.265 在很多方面有了革命性的变化。HEVC（H.265）的技术亮点有：
1. 灵活的编码结构
在 H.265 中，将宏块的大小从 H.264 的 16 × 16 扩展到了 64 × 64 ，以便于高分辨率视频的压缩。同时，采用了更加灵活的编码结构来提高编码效率，包括编码单元（ Coding Unit ）、预测单元（ Predict Unit ）和变换单元（ Transform Unit ）。如图 1 所示：
图 1 编码单元（ CU ）、预测单元（ PU ）、变换单元（ CU ）
其中编码单元类似于 H.264/AVC 中的宏块的概念，用于编码的过程，预测单元是进行预测的基本单元，变换单元是进行变换和量化的基本单元。这三个单元的分离，使得变换、预测和编码各个处理环节更加灵活，也有利于各环节的划分更加符合视频图像的纹理特征，有利于各个单元更优化的完成各自的功能。
2. 灵活的块结构——RQT（Residual Quad-tree Transform）
RQT 是一种自适应的变换技术，这种思想是对 H.264/AVC 中 ABT （ Adaptive Block-size Transform ）技术的延伸和扩展。对于帧间编码来说，它允许变换块的大小根据运动补偿块的大小进行自适应的调整；对于帧内编码来说，它允许变换块的大小根据帧内预测残差的特性进行自适应的调整。大块的变换相对于小块的变换，一方面能够提供更好的能量集中效果，并能在量化后保存更多的图像细节，但是另一方面在量化后却会带来更多的振铃效应。因此，根据当前块信号的特性，自适应的选择变换块大小，如图 2 所示，可以得到能量集中、细节保留程度以及图像的振铃效应三者最优的折中。
图2 灵活的块结构示意图
3．采样点自适应偏移（Sample Adaptive Offset）
SAO 在编解码环路内，位于 Deblock 之后，通过对重建图像的分类，对每一类图像像素值加减一个偏移，达到减少失真的目的，从而提高压缩率，减少码流。
采用 SAO 后，平均可以减少 2%~6% 的码流 , 而编码器和解码器的性能消耗仅仅增加了约 2% 。
4．自适应环路滤波（Adaptive Loop Filter）
ALF 在编解码环路内，位于 Deblock 和 SAO 之后，用于恢复重建图像以达到重建图像与原始图像之间的均方差（ MSE ）最小。 ALF 的系数是在帧级计算和传输的，可以整帧应用 ALF ，也可以对于基于块或基于量化树（ quadtree ）的部分区域进行 ALF ，如果是基于部分区域的 ALF ，还必须传递指示区域信息的附加信息。
5 ．并行化设计
当前芯片架构已经从单核性能逐渐往多核并行方向发展，因此为了适应并行化程度非常高的芯片实现，HEVC/H265引入了很多并行运算的优化思路， 主要包括以下几个方面：
(1) Tile
如图 3 所示，用垂直和水平的边界将图像划分为一些行和列，划分出的矩形区域为一个 Tile ，每一个 Tile 包含整数个 LCU(Largest Coding Unit) ， Tile 之间可以互相独立，以此实现并行处理：
图3 Tile划分示意图
(2) Entropy slice
Entropy Slice 允许在一个 slice 内部再切分成多个 Entropy Slices ，每个 Entropy Slice 可以独立的编码和解码，从而提高了编解码器的并行处理能力：
图4每一个slice可以划分为多个Entropy Slice
(3) WPP（Wavefront Parallel Processing）
上一行的第二个 LCU 处理完毕，即对当前行的第一个 LCU 的熵编码（ CABAC ）概率状态参数进行初始化，如图 5 所示。因此，只需要上一行的第二个 LCU 编解码完毕，即可以开始当前行的编解码，以此提高编解码器的并行处理能力：
图 5 WPP 示意图
6 ． H.264 中已有特性的改进
相对于H.264，H.265标准的算法复杂性有了大幅提升，以此获得较好的压缩性能。H.265在很多特性上都做了较大的改进，如表2所示：
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H.264
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MB/CU 大小
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4×4 ~ 16×16 | 4×4 ~ 64×64 |
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亮度插值
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Luma-1/2 像素 {1,-5,20,20,-5,1}
Luma-1/4 像素 {1,1}
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Luma-1/2 像素 {-1,4,-11,40,40,-11,4,-1}
Luma-1/4 像素 {-1,4,-10,57,19,-7,3,-1}
Luma-1/4 像素 {-1,3,-7,19,57,-10,4,-1}
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MVP 预测方法
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空域MVP预测 |
空域 + 时域 MVP 预测
AMVP\Merge
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亮度 Intra 预测
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4×4 / 8×8 / 16×16：9/9/4模式 |
34 种角度预测 +
Planar 预测 DC 预测
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色度 Intra 预测
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DC, Horizontal, Vertical, Plane |
DM, LM,
planar, Vertical, Horizontal, DC, diagonal
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变换
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DCT4×4/8×8 |
DCT4 × 4/8 × 8/16 × 16/32 × 32
DST4x4
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去块滤波器
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4x4和8x8边界Deblock滤波 | 较大的CU尺寸，4x4的边界不进行滤波 |
表2 H.264和H.265关键特性对
主要SIZES上区别见上图！
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