H.265/HEVC――视频编码新标准及其扩展 epub pdf mobi txt 电子书 下载 2024

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内容简介

本书一方面简要介绍有关视频编码的基础理论和技术，在分析近20年来视频压缩国际标准进展历程的基础上，引入*新的视频编码国际标准HEVC；另一方面，分章节介绍了HEVC的主要关键技术，如四杈树结构、多方向帧内预测、并行处理等，对*新的HEVC扩展部分也作了详细的介绍和分析，在介绍每一种技术时都和上一代视频编码标准H.264/AVC作简单的比较，使读者更加容易理解。

作者简介

　　　　朱秀昌，南京邮电大学通信与信息工程学院教授，博士生导师，中国通信学会、电子学会、图像图形学会高级会员，电子学会广播电视分会理事，“中国多媒体通信”杂志编委，江苏省“图像通信与图像处理重点实验室”主任。

　　　　1982年、1987年分别获南京邮电学院“广播电视”和“通信与电子系统”学士和硕士学位，长期从事图像通信和图像处理方面的科研和教学工作。主讲本科“通信系统原理”、“图像通信”课程，研究生“数字图像处理”和“模式识别”等学位课。曾参与、主持并完成了国内领先的8M彩色会议电视系统、H.261会议电视系统、极低速率视频编码、基于PSTN的远程视频监控、视频超分辨率重建、基于Fussy Set 的视频误码掩盖、智能视频分析等国家、省部科研项目。先后编著出版了“数字图像通信”、“会议电视技术及应用”、“数字图像处理和图像通信”、“多媒体通讯网络技术及应用”、“图像通信应用系统”、“数字图像处理教程”等教材或著作，发表专业技术论文60余篇。

　　　　1993年获国家政府特殊津贴，1995年获全国优秀教师奖，曾先后获原邮电部科技进步1等奖和国家科技进步3等奖。曾获南邮“图像通信教学与实验”教学成果一等奖，“图像通信技术与应用”优秀教材一等奖，江苏省“电子信息工程主干课程教学改革与实践”教学成果二等奖。

目录

第1章 视频编码基础 1
1．1 数字视频信号 1
1．1．1 视频信号的采集 2
1．1．2 视频信号的数字化 3
1．1．3 视频信号的显示 6
1．1．4 数字视频的格式 7
1．1．5 高清和超高清视频 10
1．2 视频信号的统计特性 10
1．2．1 图像的自相关函数 11
1．2．2 像素差值的自相关函数 12
1．3 混合编码 13
1．3．1 预测编码 13
1．3．2 变换编码 14
1．3．3 运动估计和运动补偿 15
1．3．4 混合编码框架 18
1．4 量化和熵编码 19
1．4．1 量化 19
1．4．2 Zig-zag扫描 19
1．4．3 熵编码 20
1．5 率失真优化 20
1．5．1 图像的信源熵 20
1．5．2 率失真定理 22
1．5．3 失真率函数 25
1．5．4 有记忆信源的处理 26
1．5．5 率失真优化编码 26
1．6 图像质量的评价 29
1．6．1 主观质量评价方法 29
1．6．2 客观质量评价方法 30
1．6．3 SSIM质量评价方法 31
本章参考文献 32
第2章 视频编码的国际标准 34
2．1 H．26x标准 35
2．1．1 H．261标准 35
2．1．2 H．263标准 38
2．2 MPEG-x标准 39
2．2．1 MPEG-1标准 40
2．2．2 MPEG-2标准 40
2．2．3 MPEG-4标准 42
2．3 H．264/AVC标准 43
2．3．1 多方向帧内预测 44
2．3．2 多模式运动估计 44
2．3．3 整数变换和熵编码 45
2．3．4 差错控制 45
2．4 AVS标准 46
2．5 VC-1标准 46
2．6 HEVC标准 47
2．6．1 HEVC标准的进程 48
2．6．2 HEVC技术概要 52
本章参考文献 55
第3章 HEVC的编码结构 57
3．1 H．264/AVC的编码结构 57
3．1．1 宏块灵活划分 58
3．1．2 图像的条划分 58
3．1．3 档次和水平 59
3．2 HEVC的网络适配和编码方式 61
3．2．1 视频编码层和网络提取层 61
3．2．2 三种编码方式 63
3．3 HEVC的四叉树划分 63
3．3．1 图像的取样格式 64
3．3．2 编码树单元和编码单元划分 65
3．3．3 预测单元划分 67
3．3．4 变换单元划分 68
3．3．5 CTU划分实例 69
3．4 HEVC的条和片划分 70
3．4．1 条划分 71
3．4．2 片划分 72
3．4．3 条/片划分实例 74
3．5 HEVC的档次、水平和等级 75
3．5．1 档次 76
3．5．2 水平 77
3．5．3 等级 77
本章参考文献 79
第4章 HEVC的帧内预测 80
4．1 帧内编码 80
4．1．1 空域预测编码 80
4．1．2 最佳线性预测 82
4．2 H．264/AVC的帧内预测 82
4．2．1 亮度4×4块的预测模式 83
4．2．2 亮度16×16块的预测模式 85
4．2．3 色度8×8块的预测模式 85
4．3 HEVC的帧内预测模式 86
4．3．1 帧内预测PU的划分 86
4．3．2 亮度PU的帧内预测模式 87
4．3．3 色度PU的帧内预测模式 89
4．4 HEVC的帧内预测过程 90
4．4．1 参考像素的准备 90
4．4．2 参考像素的平滑滤波 91
4．4．3 计算预测值 94
4．4．4 边界值的平滑 99
4．4．5 模式信息的编码 100
本章参考文献 101
第5章 HEVC的帧间预测 103
5．1 帧间预测编码 103
5．1．1 帧间预测方式 103
5．1．2 基于块的运动估计 105
5．1．3 运动矢量的预测 106
5．2 H．264/AVC的帧间预测 108
5．2．1 多模式宏块划分 108
5．2．2 高精度运动估计 108
5．2．3 双向预测条 110
5．3 HEVC的帧间预测 111
5．3．1 帧间预测PU的划分 111
5．3．2 子像素插值 113
5．4 HEVC的运动参数编码 116
5．4．1 运动参数的编码传送 116
5．4．2 Merge模式 117
5．4．3 Skip模式 122
5．4．4 Inter模式 122
5．4．5 帧间预测模式的选择 123
本章参考文献 124
第6章 HEVC的变换和量化 126
6．1 变换与量化 126
6．1．1 离散余弦变换和正弦变换 126
6．1．2 量化和量化失真 128
6．2 H．264/AVC的变换与量化 131
6．2．1 4×4整数DCT变换 131
6．2．2 变换系数的量化 132
6．3 HEVC残差的整数变换 135
6．3．1 残差四叉树（RQT） 135
6．3．2 整数DCT变换 136
6．3．3 4×4整数DST变换 138
6．4 HEVC变换系数的量化 139
6．4．1 量化参数和量化步长 140
6．4．2 量化和反量化计算 140
6．4．3 加权量化矩阵 142
6．5 HEVC变换块的编码表示 144
6．5．1 量化后系数的扫描 144
6．5．2 变换系数的表示 146
6．5．3 变换跳过 149
本章参考文献 149

第7章 HEVC的熵编码 151
7．1 熵编码 151
7．1．1 熵编码的要求 151
7．1．2 定长编码 153
7．1．3 变长编码 153
7．2 算术编码 155
7．2．1 一般算术编码 156
7．2．2 自适应算术编码 157
7．2．3 二进制算术编码 158
7．2．4 自适应二进制算术编码 160
7．3 HEVC的算术编码 160
7．3．1 CABAC框架 161
7．3．2 二进制化 162
7．3．3 上下文模型 165
7．3．4 常规编码模式 165
7．3．5 旁路编码模式 170
7．4 上下文建模和更新 171
7．4．1 上下文关系 171
7．4．2 上下文模型的初始化 171
7．4．3 上下文模型的更新 175
本章参考文献 177
第8章 HEVC的环路滤波 178
8．1 环路滤波 178
8．1．1 方块效应的产生 178
8．1．2 环内滤波和环外滤波 180
8．2 H．264/AVC的去方块滤波 181
8．2．1 自适应去方块滤波 181
8．2．2 边界强度测定 182
8．2．3 去方块滤波过程 184
8．3 HVEC的环路滤波 185
8．3．1 自适应去方块滤波 186
8．3．2 样点自适应补偿 186
8．4 HEVC的去方块滤波 187
8．4．1 去方块滤波单元 187
8．4．2 边界强度的判定 188
8．4．3 滤波强度的判定 189
8．4．4 去方块滤波过程 192
8．5 HEVC的样值自适应补偿 194
8．5．1 信号失真及补偿 194
8．5．2 SAO的两种模式 195
8．5．3 带补偿（BO）模式 196
8．5．4 边缘补偿（EO）模式 197
8．5．5 SAO的模式选择和参数共享 200
本章参考文献 202
第9章 HEVC的并行处理 204
9．1 视频编码的并行处理 204
9．1．1 并行处理的主要方式 205
9．1．2 功能并行 206
9．1．3 数据并行 207
9．1．4 流水线并行 207
9．2 HEVC的并行处理工具 209
9．2．1 片并行处理 210
9．2．2 波前并行处理 211
9．3 HEVC的各级并行处理 213
9．3．1 GOP级并行处理 213
9．3．2 图像级并行处理 213
9．3．3 条、片级并行处理 215
9．3．4 块级并行处理 215
9．3．5 指令级并行处理 216
9．4 去方块滤波的并行处理 217
本章参考文献 219
第10章 HEVC的高层语法 221
10．1 HEVC语法特点 221
10．1．1 新增语法结构和元素 222
10．1．2 基本语法表示 224
10．2 H．264/AVC语法提要 226
10．2．1 码流的分层结构 226
10．2．2 NAL单元语法 226
10．2．3 Slice语法 228
10．2．4 参数集 229
10．3 HEVC的NAL单元 230
10．3．1 字节流格式 231
10．3．2 一般NAL单元语法 232
10．3．3 NAL单元头语法 233
10．4 HEVC的接入图像 236
10．4．1 帧内随机接入图像 236
10．4．2 前置图像 238
10．4．3 后置图像 239
10．5 HEVC的参数集 241
10．5．1 三类参数集 241
10．5．2 视频参数集（VPS） 243
10．5．3 序列参数集（SPS） 245
10．5．4 图像参数集（PPS） 245
10．6 HEVC的参考图像集 246
10．6．1 参考图像集 246
10．6．2 参考图像列表 249
10．7 HEVC的SEI和VUI 250
10．7．1 补充增强信息（SEI） 250
10．7．2 视频可用信息（VUI） 251
本章参考文献 253
第11章 HEVC的多层和可分级编码扩展 255
11．1 HEVC编码扩展的进程 256
11．2 HEVC统一的多层编码 257
11．2．1 多层编码的结构 258
11．2．2 多层编码的工具 259
11．3 HEVC的多层扩展 260
11．3．1 层和子层 260
11．3．2 接入单元 260
11．3．3 视频参数集扩展 260
11．4 可分级视频编码 261
11．4．1 常用可分级编码方法 262
11．4．2 H．264/AVC的可分级编码 265
11．5 HEVC的可分级扩展 268
11．5．1 SHVC的编码框架和性能 268
11．5．2 上采样滤波器 270
15．5．3 层间纹理预测 271
11．5．4 层间运动预测 272
11．5．5 SHVC编码一例 273
本章参考文献 273
第12章 HEVC的多视点和3D编码扩展 276
12．1 立体视频编码 276
12．1．1 立体视频和多视点视频 277
12．1．2 立体视频的采集和显示 278
12．1．3 多视点视频编码 280
12．1．4 H．264/AVC的多视点编码 282
12．2 HEVC的多视点扩展 284
12．2．1 MV-HEVC编码系统 285
12．2．2 多视点编码工具 287
12．2．3 虚拟视点的合成 290
12．3 HEVC的3D扩展 292
12．3．1 立体图像的深度图 293
12．3．2 深度图的编码 294
12．3．3 深度图的编码工具 295
本章参考文献 298
第13章 HEVC的实现 300
13．1 HEVC的参考软件HM 300
13．2 HEVC的复杂度 304
13．2．1 功能单元的复杂度 304
13．2．2 HM的编码复杂度 309
13．2．3 HM的解码复杂度 311
13．2．4 和H．264/AVC比较 313
13．3 HEVC编码器的实现考虑 313
13．3．1 软件实现考虑 313
13．3．2 硬件实现考虑 314
13．4 HEVC的解码实验 315
13．4．1 HEVC的测试序列 315
13．4．2 基于ARM的解码 317
13．4．3 基于X86的解码 318
13．4．4 解码性能分析 319
13．5 HEVC的编解码器简例 319
13．5．1 基于DSP的HEVC解码器 320
13．5．2 HEVC解码器芯片 321
13．5．3 HEVC编码器芯片 322
13．5．4 HEVC编码系统 323
本章参考文献 324
缩略语（Abbreviations） 326

前言/序言

前 言 　

伴随着大数据的洪流和无处、无时不在的移动通信发展，以及互联网、物联网的全面覆盖，一个以大数据、大流通为特征的信息时代已经开启。由于视频信息具有真实、具体、生动、全面、信息量大等特点，人们对各种视频信息的需求与日俱增，使得大数据中海量视频信息的占比已过半，因此，保证海量视频信息的高效、优质、标准化的压缩日显重要。

目前视频压缩编码技术面临着三方面的压力：一是由于视频分辨率迅速提高而引起的数据量激增，如第一代视频编码标准面对的基本上是352×288的CIF视频，第二代视频编码标准面对的主要是768×576的SDTV视频，如今第三代视频编码标准面对最低的也是1920×1080的HDTV视频，需压缩视频的数据量大约是以每代4倍的速度向上翻，而视频编码效率，每代大致翻一番，这里还未考虑超高清视频、3D视频、多视点视频等数据量更大的情况。二是由于视频应用的迅速普及而引起的视频信息需求激增，现在各行各业都需要视频信息，几乎每个人都需要视频信息，移动视频还带来每时每刻和无处不在的视频需求，这些需求使得视频采集、传输、存储的数量不断增长。三是视频压缩标准化带来的压力，各方面的视频信息需要相互交流，需要有标准化的格式来保证各种类型的视频信息的畅通，这就要求制定统一的国际标准，并随着技术的发展而不断修订、扩展和换代。

尽管半导体芯片的密度不断提高，网络带宽也不断增加，可以减轻一部分对视频编码的压力，但是远远消解不了上述三方面给视频编码带来的压力。虽然目前已有一系列的国际视频编码标准，但其效率仍然远不能满足当前视频信息的应用需求。诚然，这些都是都是标准制定者面临的巨大压力，同时，这也理所当然地成为从事视频编码的工程技术人员不断研究新技术、制定新标准的强大驱动力。

为达到对视频数据的高效、标准化压缩的目的，从20世纪80年代末以来，国际电联（ITU）和国际标准化组织（ISO）先是分别，后是联手矢志不渝地进行视频编码国际标准的制定工作。迄今为止，已历经三代。第一代以ITU-T的H.261、H.263建议和ISO/IEC的MPEG-1、MPEG-2标准为代表；第二代则是以两大组织联合制定的H.264/ MPEG-4 AVC标准为代表；第三代也是以两大组织联合制定的并正在扩展中的HEVC标准为代表。

HEVC即“高效视频编码”是该标准的俗称或统称，在ITU-T称其为H.265建议，在ISO/IEC称其为23008-2标准。虽然名称各异，但其中的内容是一样的，现已更新为包括扩展部分的第3版。本书主要介绍新一代视频编码国际标准HEVC及其扩展中的主要压缩编码原理、高效编码工具、高层语法语义和主要技术规范。本书的要点和特点如下。

扼要介绍了和国际标准相关的视频编码原理，梳理了近30年来一系列视频编码的国际标准，简述了这些标准体系及发展历程演进。着重分析了HEVC第1版的关键编码工具，包括编码结构、帧内预测、帧间预测、变换和量化、熵编码、环路滤波、高层语法、并行处理等。在HEVC实现方面也给出了简单的说明和几个实例。针对HEVC第2版的扩展，介绍了在统一的多层编码概念、可分级视频编码、多视点和3D视频编码方面的核心编码技术的要点。HEVC在总体上继承了H.264/AVC，但在各个方面都有新发展，使得总编码效率提高了一倍，在适当的章节与H.264/AVC标准进行了简单的对比，有助于加深对HEVC的理解。

本书以从事计算机技术、通信技术以及电视技术的工程技术人员、大专院校有关专业的高年级学生、研究生或教师为主要阅读对象。全书的内容可以划分为四个部分。

第一部分（第1章和第2章）。第1章介绍和视频编码有关的基本概念和相关技术，如视频的数字化，数字视频信号的统计特性，混合编码的框架和主要方法，图像质量的评价等。在此基础上，第2章介绍了ISO和ITU-T两大国际标准化组织的H.261/263和MPEG-1/2第一代标准、H.264/MPEG-4 AVC第二代标准，以及当前HEVC第三代视频编码国际标准的总体概况和标准化进程。

第二部分（第3～

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