新一代通用视频编码H.266/VVC：原理、标准与实现

本书系统全面地介绍了新一代的通用视频编码标准H.266/VVC，讲解了相关编码原理和实现方法，并对相应标准语法语义进行了模块化的解读。全书共13 章。第1 章概述了视频编码国际标准和H.266/VVC的发展历程，介绍了H.266/VVC 的特色技术。第2 章讨论了数字视频格式和H.266/VVC 编码视频格式。第3 章详细解析了H.266/VVC 编码结构及参数集，并介绍了H.266/VVC 的档次、层和级别。第4～10 章为H.266/VVC 编码技术的分模块论述和语法语义解析，包括帧内预测编码、帧间预测编码、变换编码、量化、熵编码、环路滤波和面向多样化视频的编码工具。第11～13 章针对H.266/VVC 的实现和应用，详细介绍了H.266/VVC 的网络适配层、率失真优化和速率控制。 本书可作为电子信息类和广播电视类本科高年级学生和研究生的相关课程教材，也可供视频技术研究领域的研究生、教师、工程师参考，并且适合相关技术人员作为解读H.266/VVC 标准的参考用书。

万帅，西北工业大学电子信息学院教授/博士生导师，澳大利亚皇家墨尔本理工大学兼职教授。2001年和2004 年先后于西安电子科技大学通信工程学院获工学学士和工学硕士学位，2007年获伦敦大学（Queen Mary学院）博士学位。2008年获英国工程学会IET颁发国际会议（VIE2008）杰出贡献奖。主持国家自然科学基金2项，省部级基金项目2项，与OPPO、华为海思等知名企业合作项目8项，参与多项国家自然科学基金、863等重要科研项目。近年来与OPPO合作，持续参与视频编码、点云压缩等国际国内标准，已有多项技术被国际国内标准接受。

目录

第1章 绪论 1
1．1 视频压缩与编码概述 1
1．1．1 视频 1
1．1．2 视频压缩与编码 2
1．2 视频编码标准 4
1．2．1 什么是视频编码标准 4
1．2．2 视频编码标准的发展 5
1．3 H．266/VVC简介 13
1．3．1 标准化历程 13
1．3．2 编码框架及编码工具 14
参考文献 16
第2章 数字视频格式 19
2．1 数字视频 19
2．1．1 色彩 20
2．1．2 亮度动态范围 23
2．1．3 量化深度 25
2．1．4 空间分辨率 25
2．1．5 时间分辨率 26
2．1．6 全景视频 27
2．2 数字视频格式 28
2．2．1 色度亚采样 28
2．2．2 数字视频格式的规范标准 29
2．3 H．266/VVC编码视频格式 35
2．3．1 编码图像格式 35
2．3．2 解码图像格式 37
参考文献 43?
第3章 编码结构 44
3．1 编码结构概述 44
3．2 多层视频及参数集 46
3．2．1 多层视频编码结构 46
3．2．2 视频参数集 48
3．3 视频序列及参数集 51
3．3．1 编码视频序列 51
3．3．2 图像类型 52
3．3．3 序列参数集 53
3．4 图像及参数集 61
3．4．1 图像参数集 62
3．4．2 图像头 65
3．5 SLICE 69
3．6 TILE 71
3．6．1 Tile划分 72
3．6．2 Slice与Tile 72
3．7 子图像 73
3．8 树形编码单元 74
3．8．1 CU划分 75
3．8．2 图像边界上的CU划分 77
3．8．3 CU的相关语法元素 77
3．9 档次、层和级别 79
3．9．1 档次 80
3．9．2 层和级别 80
参考文献 81
第4章 帧内预测编码 82
4．1 视频预测编码技术 82
4．1．1 预测编码技术 82
4．1．2 帧内预测编码技术 84
4．1．3 H．266/VVC帧内预测编码概述 86
4．2 参考像素值获取 89
4．2．1 参考像素范围 89
4．2．2 参考像素滤波 91
4．3 预测值计算 92
4．3．1 传统预测模式 92
4．3．2 宽角度预测模式 96
4．3．3 基于矩阵的预测模式 97
4．4 预测值修正 100
4．5 帧内子区域划分 102
4．6 分量间线性模型预测 103
4．6．1 亮度分量下采样 103
4．6．2 线性模型参数 104
4．6．3 色度预测值 105
4．6．4 相关语法元素介绍 106
4．7 帧内预测模式编码 106
4．7．1 亮度预测模式编码 106
4．7．2 色度预测模式编码 109
参考文献 110
第5章 帧间预测编码 112
5．1 帧间预测编码概述 112
5．1．1 帧间预测编码原理 112
5．1．2 帧间预测编码关键技术 115
5．1．3 H．266/VVC帧间预测编码概述 121
5．2 亚像素插值 123
5．2．1 插值滤波器选择 123
5．2．2 亚像素插值方法 125
5．3 MERGE模式 126
5．3．1 常规Merge模式 126
5．3．2 Skip模式 130
5．3．3 带有运动矢量差的Merge模式 131
5．3．4 联合帧内帧间预测模式 133
5．4 几何划分预测模式 134
5．4．1 基本原理 134
5．4．2 标准实现 136
5．4．3 相关语法元素 141
5．5 高级运动矢量预测技术 141
5．5．1 常规AMVP模式 141
5．5．2 对称运动矢量差分编码技术 143
5．5．3 自适应运动矢量精度 144
5．6 基于子块的帧间预测模式 146
5．6．1 基于子块的时域MV预测技术 146
5．6．2 基于子块的仿射运动补偿 148
5．6．3 仿射Merge模式 149
5．6．4 仿射AMVP模式 153
5．7 解码端运动矢量细化 155
5．8 基于光流场的预测值修正 158
5．8．1 基于光流的预测值修正 158
5．8．2 双向光流预测值修正 159
5．8．3 基于光流的仿射预测修正 163
5．9 帧间加权预测 165
5．9．1 Slice级加权预测 166
5．9．2 CU级双向加权预测（BCW） 168
5．10 帧间预测模式组织结构 169
参考文献 171
第6章 变换编码 173
6．1 变换概述 173
6．1．1 离散余弦变换 174
6．1．2 整数离散余弦变换 176
6．1．3 离散正弦变换 179
6．1．4 整数离散正弦变换 180
6．1．5 H．266/VVC中的变换 182
6．2 主变换 182
6．2．1 主变换的基本原理 183
6．2．2 主变换的标准实现 185
6．3 二次变换 190
6．3．1 二次变换的基本原理 190
6．3．2 二次变换的标准实现 193
6．4 哈达玛变换 195
6．4．1 哈达玛变换的原理及特点 195
6．4．2 哈达玛变换的应用 196
参考文献 197
第7章 量化 199
7．1 标量量化 199
7．1．1 基本原理 199
7．1．2 均匀标量量化 200
7．1．3 Lloyd-Max量化器 202
7．1．4 熵编码量化器 203
7．2 矢量量化 204
7．2．1 基本原理 204
7．2．2 网格编码量化 205
7．3 H．266/VVC量化 206
7．3．1 H．266/VVC标量量化 207
7．3．2 率失真优化量化 209
7．3．3 依赖量化 210
7．3．4 量化参数 213
7．3．5 量化矩阵 215
参考文献 217
第8章 熵编码 219
8．1 熵编码基本原理 219
8．1．1 熵 219
8．1．2 变长编码 221
8．1．3 指数哥伦布编码 222
8．1．4 算术编码 224
8．2 零阶指数哥伦布编码 226
8．2．1 零阶指数哥伦布编码简介 226
8．2．2 H．266/VVC中的零阶指数哥伦布编码 227
8．3 CABAC 232
8．3．1 CABAC的原理 232
8．3．2 H．266/VVC中的CABAC 236
8．4 变换系数熵编码 239
8．4．1 变换系数扫描 239
8．4．2 最后一个非零系数位置信息编码 240
8．4．3 非零系数幅值信息编码 242
8．4．4 变换跳过残差熵编码 246
8．4．5 相关语法元素 247
参考文献 247
第9章 环路滤波 249
9．1 亮度映射与色度缩放 250
9．1．1 LMCS技术 251
9．1．2 LMCS的实现 252
9．1．3 LMCS的相关语法元素 254
9．2 去方块滤波 256
9．2．1 滤波决策 257
9．2．2 滤波操作 264
9．2．3 DBF的相关语法元素 267
9．3 样点自适应补偿 267
9．3．1 SAO技术 268
9．3．2 SAO的实现 270
9．3．3 SAO的相关语法元素 275
9．4 自适应环路滤波 277
9．4．1 维纳滤波 277
9．4．2 ALF技术 278
9．4．3 亮度ALF 280
9．4．4 色度ALF 284
9．4．5 分量间ALF 284
9．4．6 ALF的相关语法元素 286
参考文献 288
第10章 面向多样化视频的编码工具 290
10．1 全景视频编码 290
10．1．1 水平环绕运动补偿 290
10．1．2 虚拟边界取消环路滤波 292
10．2 屏幕内容视频编码 293
10．2．1 帧内块复制 293
10．2．2 变换跳过模式的残差编码 296
10．2．3 块差分脉冲编码调制 297
10．2．4 调色板模式 298
10．2．5 自适应色度变换 301
参考文献 303
第11章 网络适配层 304
11．1 分层结构 304
11．2 网络适配层单元 306
11．2．1 NALU头 307
11．2．2 NALU载荷 309
11．3 视频比特流中的NALU 311
11．4 网络适配层单元的应用 313
11．4．1 字节流应用 313
11．4．2 分组流应用 314
参考文献 318
第12章 率失真优化 319
12．1 率失真优化技术 319
12．1．1 率失真理论 319
12．1．2 视频编码中的率失真优化 326
12．2 H．266/VVC中的率失真优化 330
12．2．1 视频图像组的率失真优化 330
12．2．2 片层的率失真优化 333
12．2．3 CTU层的率失真优化 334
12．2．4 CU层的率失真优化 334
12．3 VTM中的率失真优化方法 335
12．3．1 CTU编码优化 335
12．3．2 CU划分模式判别 336
12．3．3 帧内预测模式判别 340
12．3．4 帧间预测模式判别 341
参考文献 345
第13章 速率控制 347
13．1 视频编码速率控制 347
13．1．1 速率控制的基本原理 347
13．1．2 缓冲机制 349
13．1．3 速率控制技术 350
13．2 H．266/VVC速率控制 356
13．2．1 目标比特分配 356
13．2．2 量化参数确定 358
参考文献 361
附录A 术语及英文解释 363
附录B 专业名词缩写 376