新一代视频压缩标准HEVCH.265的编解码策略_开题报告

视频编解码背景

“凡是在一种情况下能减少不确定性的任何事物都叫做信息。”—《通信的数字理论》, Claude Shannon.[10]

数字信息交互的载体从音频信号与静态图像，到现在几乎占90%的音视频数据流，经历了快速的迭代。硬件性能的飞速发展推动着数据格式的规范的进步。

2003年，H.264/MPEG-4 AVC从众多的视频解决方案中脱颖而出，继而成为编解码主流标准长达10年之久。H.264/MPEG-4 AVC是一种面向块的基于运动补偿的编解码器标准，被广泛用于蓝光碟片、网络流媒体、网络软件以及各种高清电视中。它的优势在于能够在更低的带宽下提供优质视频。

然而，随着数字视频应用产业链的快速发展，视频应用向以下几个方向发展的趋势越加明显：

高清晰度：数字视频的应用格式从720p向1080p全面升级。

高帧率：数字视频帧率从30fps向60fps甚至更高的应用场景升级。

高压缩率：传输带宽和存储空间一直是视频应用中最为关键的资源，高压缩率意味着在有限的资源中向用户提供更佳的视频体验。

H.264在现今的趋势下，局限性便越显突出：

宏块个数的爆发式增长的同时，单个宏块所表示的图像内容的信息大大减少，这将导致出现大量的冗余。

H.264的串行编码将制约并行化程度非常高的CPU的运算性能。

因此，2010年1月，JCT-VC开始制定下一代编码标准：HEVC。2013年2月，HEVC/H.265被接受为国际电信联盟的正式标准，理论上在达到H.264/MPEG-4 AVC两倍的压缩率的同时，还可以提升视频质量，可支持4K分辨率甚至到超高清TV。

国外发展现状

从2013年至今，国际上的硬件厂商和软件服务公司相继推出自家支持HEVC的编码器及应用。例如：ViXS Systems公司推出匹配Main 10 profile转码视频的硬件SoC。Rovi Corporation则推出了支持HEVC/H.265的用于高品质多屏视频传输的端对端视频解决方案DivX Video Service。韩国电信Skylife与爱立信联手推出超高清电视（UHDTV）和HEVC应用。Microsoft发布了用于HEVC的DXVA（DirectX Video Acceleration）规范，以推动Windows平台上的支持HEVC的应用开发。著名的开源音视频框架FFmpeg则在2013年10月16日加入了OpenHEVC解码器以支持HEVC/H.265。而目前多个基于HEVC的编码标准正在完善中，包含可调式编码和3D-HEVC等。

国内发展现状

海康威视作为国内领先的视频监控解决方案供应商，从2011年开始研究HEVC，并于今年开始将产品线全面升级为支持H.265。北京瑞普图视科技有限公司首先提供全国H.265/HEVC标准的高清视频压缩服务。各大院校和科研机构也纷纷建立课题项目对H.265的原理进行研究和优化，特别是快速帧内预测算法取得了很大的进步。

课题研究意义

HEVC/H.265代替H.264/MPEG-4 AVC是必然趋势，提供更佳的性能所付出的代价就是HEVC/H.265的编码更加的复杂，使得基于HEVC的应用需要对标准中应用的技术有着多角度、多层次的了解。

例如：HEVC采用编码树单元四叉树划分技术和多达10种的帧间预测单元模式，这在有效提高压缩效率的同时，也增加了计算复杂度。基于时空相关性的HEVC帧间模式决策快速算法[8]的提出，与HM相比能降低30%左右的编码时间。

再从帧内编码上看，HEVC主要的改变就是帧内预测模式方向数量的增加，虽然大量的预测模式可以提高预测的精度，但同时也增加了运算复杂度和编码时间。基于方向梯度和方向强度的帧内预测快速选择算法[9]在保证编码性能基本不变的前提下，帧内预测时间与HM13.0相比，平均减少了27.15%。

从上例可见，从HEVC的标准到实际应用仍然有着很长的路要走。HEVC是新的标准，需要长期的数据支持来不断的进行修正，才能更好的平衡性能与代价的比例。国内目前在理论研究上已经有着实足的进步，然而与国际上已经有投入生产的实际产品还有着很大的距离。产业上实际产品的推出更需要大量的研究数据作为指导。

课题研究工具—FFmpeg库[7]

FFmpeg是一个开源库，提供了音视频多种格式的录制、转换和数据流功能，包含了多种音视频的解码器解决方案，其中就包括了H.264/MPEG-4 AVC和HEVC/H.265的编解码器。开源项目的优势是可以直接从源代码层对技术本质有直观的接触，同时可以更好的与同一项目的人分享资源和经验。

本文通过FFmpeg库的帮助，对H.264和H.265两代视频编解码标准进行简单的探索。

^范文提纲

目录

术语解释

绪论

视频编解码技术的发展历史

视频编解码技术的现况

视频编解码技术的应用简介

视频编解码技术原理

时态模型

影像模型

熵编码

H.264标准的实现

H.264/MPEG-4 AVC的发展与标准

帧内模式

实现结构解析

HEVC标准的实现

HEVC的发展与标准

帧内模式

实现结构解析

测试方案详述

测试环境与工具

FFmpeg库的使用

测试流程详解

测试数据展示与对比

H.264数据归纳解析

HEVC数据归纳解析

H.264与HEVC数据对比解析

参考文献

附录

参考文献

[1] 毕厚杰.新一代视频压缩编码标准—H.264/AVC[M].北京：人民邮电出版社，2005-1.

[2] 沈燕飞,李锦涛,朱珍民,张勇东.高效视频编码[J].计算机学报,2013,36(11) 

电子文献：

[3] 维基百科.高效率视频编码[Z]. s://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E9%AB%98%E6%95%88%E7%8E%87%E8%A7%86%E9%A2%91%E7%BC%96%E7%A0%81，2016-10-7/2010-3-27

[4] Gonzalez, R.C., Woods, R.E.著.阮秋琦等译.数字图像处理：第三版[M].北京：电子工业出版社，2011-6.

[5] Iain E. G. Richardson,H.264 and MPEG-4 Video Compression[M].UK: WILEY,2003.

[6] Atul Puri,Xuemin Chen,Ajay Luthra.Video coding using the H.264/MPEG-4 AVC compression standard[Z]. ://.sciencedirect.com/science/article/pii/S0923596504000566，2004-7-8

[7] The FFmpeg developers. FFmpeg Codecs Documentation[Z]. s://ffmpeg.org/ffmpeg-codecs.html. 2016-10-11

[8] 朱威，张训华，王财盛，张桦.基于时空相关性的HEVC帧间模式决策快速算法[J].通信学报,2016,37(4)

[9] 梅健，谢林柏.基于HEVC的帧内预测模式快速选择算法[J].计算机工程与应用,2016，52(10)

[10] Claude Shannon著,贾洪峰译.通信的数学理论[Z]. ://.ituring.com.cn/book/1185