概述
H.264(AVC)從2003年5月草稿發(fā)布以來(lái)，憑借其相對于以往的視頻壓縮標準在壓縮效率以及網(wǎng)絡(luò )適應性方面的明顯優(yōu)勢，逐步成為視頻應用領(lǐng)域的主流標準。根據 MeFeedia的數據，由于iPad 以及其它新興設備大多支持H.264 硬件加速，至2011年底，80%的視頻使用H.264編碼，并且隨著(zhù)支持H.264解碼的設備不斷增多，這一占有率還將進(jìn)一步增長(cháng)。
但是，隨著(zhù)數字視頻應用產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，視頻應用向以下幾個(gè)方向發(fā)展的趨勢愈加明顯：
- 高清晰度（Higher Definition）：數字視頻的應用格式從720 P向1080 P全面升級，在一些視頻應用領(lǐng)域甚至出現了4K x 2K、8K x 4K的數字視頻格式；
- 高幀率(Higher frame rate )：數字視頻幀率從30 fps向60fps、120fps甚至240fps的應用場(chǎng)景升級；
- 高壓縮率(Higher Compression rate )：傳輸帶寬和存儲空間一直是視頻應用中最為關(guān)鍵的資源，因此，在有限的空間和管道中獲得最佳的視頻體驗一直是用戶(hù)的不懈追求。
由于數字視頻應用在發(fā)展中面臨上述趨勢，如果繼續采用H.264編碼就出現的如下一些局限性：
- 宏塊個(gè)數的爆發(fā)式增長(cháng)，會(huì )導致用于編碼宏塊的預測模式、運動(dòng)矢量、參考幀索引和量化級等宏塊級參數信息所占用的碼字過(guò)多，用于編碼殘差部分的碼字明顯減少。
- 由于分辨率的大大增加，單個(gè)宏塊所表示的圖像內容的信息大大減少，這將導致相鄰的4 x 4或8 x 8塊變換后的低頻系數相似程度也大大提高，導致出現大量的冗余。
- 由于分辨率的大大增加，表示同一個(gè)運動(dòng)的運動(dòng)矢量的幅值將大大增加，H.264中采用一個(gè)運動(dòng)矢量預測值，對運動(dòng)矢量差編碼使用的是哥倫布指數編碼，該編碼方式的特點(diǎn)是數值越小使用的比特數越少。因此，隨著(zhù)運動(dòng)矢量幅值的大幅增加，H.264中用來(lái)對運動(dòng)矢量進(jìn)行預測以及編碼的方法壓縮率將逐漸降低。
- H.264的一些關(guān)鍵算法例如采用CAVLC和CABAC兩種基于上下文的熵編碼方法、deblock濾波等都要求串行編碼，并行度比較低。針對GPU/DSP/FPGA/ASIC等并行化程度非常高的CPU，H.264的這種串行化處理越來(lái)越成為制約運算性能的瓶頸。
為了面對以上發(fā)展趨勢，2010年1月，ITU-T VCEG(Video Coding Experts Group) 和ISO/IEC MPEG(Moving Picture Experts Group)聯(lián)合成立JCT-VC(Joint Collaborative Team on Video Coding)了聯(lián)合組織，統一制定下一代編碼標準：HEVC(High Efficiency Video Coding)。
HEVC協(xié)議標準計劃于2013年2月份正式在業(yè)界發(fā)布，目前整個(gè)框架結構已基本確定。截至2012年4月份，JCT-VC聯(lián)合工作組已經(jīng)召開(kāi)了第八次會(huì )議，并于2012年2月17日發(fā)布了第一版內部草稿《High efficiency video coding (HEVC) text specification draft 6》，計劃2012年7月發(fā)布第一版公開(kāi)版草稿，在H.264標準2～4倍的復雜度基礎上，將壓縮效率提升一倍以上。
下表列出了HM4.0(HEVC參考代碼)相對于JM18.0 BD-Rate對比：
表1 HEVC相對于H.264的壓縮效率提升數據列表
由表中數據可見(jiàn)，在Low Delay的情況下，HEVC(HM4.0)相對于H.264比特率平均下降44%。
HEVC(H.265)的技術(shù)亮點(diǎn)
作為新一代視頻編碼標準，HEVC(H.265)仍然屬于預測加變換的混合編碼框架。然而，相對于H.264，H.265 在很多方面有了革命性的變化。HEVC(H.265)的技術(shù)亮點(diǎn)有：
靈活的編碼結構
在H.265中，將宏塊的大小從H.264的16x16擴展到了64x64，以便于高分辨率視頻的壓縮。同時(shí)，采用了更加靈活的編碼結構來(lái)提高編碼效率，包括編碼單元(Coding Unit)、預測單元(Predict Unit)和變換單元(Transform Unit)。如圖1所示：
圖1 編碼單元(CU)、預測單元(PU)、變換單元(CU)
其中編碼單元類(lèi)似于H.264/AVC中的宏塊的概念，用于編碼的過(guò)程，預測單元是進(jìn)行預測的基本單元，變換單元是進(jìn)行變換和量化的基本單元。這三個(gè)單元的分離，使得變換、預測和編碼各個(gè)處理環(huán)節更加靈活，也有利于各環(huán)節的劃分更加符合視頻圖像的紋理特征，有利于各個(gè)單元更優(yōu)化的完成各自的功能。
靈活的塊結構----RQT(Residual Quad-tree Transform)
RQT是一種自適應的變換技術(shù)，這種思想是對H.264/AVC中ABT(Adaptive Block-size Transform)技術(shù)的延伸和擴展。對于幀間編碼來(lái)說(shuō)，它允許變換塊的大小根據運動(dòng)補償塊的大小進(jìn)行自適應的調整；對于幀內編碼來(lái)說(shuō)，它允許變換塊的大小根據幀內預測殘差的特性進(jìn)行自適應的調整。大塊的變換相對于小塊的變換，一方面能夠提供更好的能量集中效果，并能在量化后保存更多的圖像細節，但是另一方面在量化后卻會(huì )帶來(lái)更多的振鈴效應。因此，根據當前塊信號的特性，自適應的選擇變換塊大小，如圖2所示，可以得到能量集中、細節保留程度以及圖像的振鈴效應三者最優(yōu)的折中。
圖2 靈活的塊結構示意圖
采樣點(diǎn)自適應偏移(Sample Adaptive Offset)
SAO在編解碼環(huán)路內，位于Deblock之后，通過(guò)對重建圖像的分類(lèi)，對每一類(lèi)圖像像素值加減一個(gè)偏移，達到減少失真的目的，從而提高壓縮率，減少碼流。
采用SAO后，平均可以減少2%~6%的碼流,而編碼器和解碼器的性能消耗僅僅增加了約2%。
自適應環(huán)路濾波(Adaptive Loop Filter)
ALF在編解碼環(huán)路內，位于Deblock和SAO之后，用于恢復重建圖像以達到重建圖像與原始圖像之間的均方差(MSE)最小。ALF的系數是在幀級計算和傳輸的，可以整幀應用ALF，也可以對于基于塊或基于量化樹(shù)(quadtree)的部分區域進(jìn)行ALF，如果是基于部分區域的ALF，還必須傳遞指示區域信息的附加信息。
