高效视频编码（HEVC）标准概述（一）

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高效视频编码（HEVC）标准概述

 

摘要——ITU-T的视频编码专家组和ISO/IEC的运动图像专家组目前正准备将高效视频编码（HEVC，High Efficiency Video Coding）作为最新的视频编码标准。HEVC标准化工作的主要目标，是比既有标准极大地提高压缩性能——在感知到的视频质量相同的情况下，减少50%的码率。本文对HEVC标准的特征和特性做出概述。

 

索引词——高级视频编码（AVC），H.264，高效视频编码（HEVC），视频联合协作组（JCT-VC），运动图像专家组（MPEG），MPEG-4，标准，视频编码专家组（VCEG），视频压缩。

 

I. 简介

高效视频编码（HEVC）标准是视频联合协作组（JCT-VC）最新的视频合作项目，JCT-VC是由ITU-T的视频编码专家组（VCEG）和ISO/IEC的运动图像专家组（MPEG）这2个标准化组织联合成立的。

    HEVC标准的第一版预计将于2013年元月完成，并由ITU-T和ISO/IEC公开印制发行。后继补充工作准备扩展该标准支持几个额外的应用环境，包括增强精度和彩色格式等扩展范围的使用，可伸缩视频编码，以及3-D/立体/多视角视频编码。HEVC标准在ISO/IEC这边将被称为MPEG-H Part 2（ISO/IEC 23008-2），而在ITU-T中则可能称为“ITU-T建议H.265”。

视频编码标准的演进主要是由著名的ITU-T和ISO/IEC各标准的发展来推动的。ITU-T制定了H.261和H.263，ISO/IEC制定了MPEG-1和 MPEG-4 Visual，并且两家联合制定了H.262/MPEG-2 Video和H.264/MPEG-4高级视频编码（AVC，Advanced Video Coding）标准。联合制定的这2个标准获得巨大反响并已被广泛应用于我们日常生活中日益增加的各类视频产品。整个演进过程中，专家们在设计每个标准时，都一直致力于将数据压缩能力最大化和提高其他诸如数据丢失的鲁棒性等性能，同时还要考虑实际产品中可用的计算资源。

HEVC项目之前最重要的视频编码标准是H.264/MPEG-4 AVC，其初始版本的开发周期是1999～2003年，并于2003～2009年间在几个重要方面进行了扩展。几乎所有H.262/MPEG-2 Video未能覆盖的领域，都采用H.264/MPEG-4 AVC技术来实现数字视频；并且H.264在其既存的应用领域中实质上已经取代了旧的标准。它被广泛应用，包括通过卫星、有线、地面等传输系统来广播高清电视（HDTV）信号，视频内容获取和编辑系统，摄像录像，安全应用，因特网和移动网络视频，蓝光光盘，以及视频聊天、视频会议和远程监控系统等实时对话应用。

然而，设备多样化的日益增长、高清视频的逐渐普及以及超高清格式（如4k ×2k和8k ×4k分辨率）的出现，催生出对超越H.264/MPEG-4 AVC的编码效率的迫切需求。当以立体或多视角方式捕获和显示更高分辨率的视频时，这一需求尤为强烈。此外，移动设备和平板电脑上的视频应用，以及视频点播设备所产生的数据流量，也对现行的网络构成严峻的挑战。移动视频应用对于更高质量和分辨率的需求正在与日俱增。

HEVC除了完全胜任现有的全部H.264/MPEG-4 AVC应用之外，还专门针对如下2个关键问题进行了设计：视频分辨率的增长和并行处理架构应用的增长。HEVC的句法是通用的，亦即对上文未特别提及的其他视频应用也是适用的。

    和过往所有的ITU-T和 ISO/IEC视频编码标准一样，HEVC只是对码流结构和句法进行了标准化，约束码流及其映射来产生出正确的解码图像。映射指的是定义句法元素的语义和一个解码操作，使得每个遵守标准的解码器对同一遵守标准约束的码流可以解出相同的输出结果。这种对标准化范围的限制令业界能获得最大的自由度，以最恰当的方式对特定应用进行性能优化（平衡压缩的质量,执行的开销,市场化的时间，以及其他方方面面)。

为帮助业界学习使用该标准，HEVC的标准化组织不单开发出一个详细的说明文档，还提供了一个用于HEVC视频编解码示例的参考软件源码。该参考软件在标准的设计过程中一直被委员会作为内部工作的研究工具，它也可以作为通用的研究工具或者某些视频产品的基础。此外，委员会还开发出一套标准测试数据套件，用于测试软件与标准的一致程度。

本文组织结构如下：第II节着重介绍HEVC编码设计的一些关键特性。第III节解释HEVC编码出的数据的高阶句法和整体结构。第IV 节详细描述HEVC编码技术。第V 节解释HEVC设计中的档次（profile）、层（tier）和级（level）。由于为充实如HEVC者写概述需要大量地节略其内容，读者对本文忽略的任何细节如有兴趣，可参考[1]。第VI节讨论HEVC标准化工作的发展过程。