H.265编码中的树编码单元（CTU）详细分析

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@小白创作中心

H.265编码中的树编码单元（CTU）详细分析

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CSDN

https://blog.csdn.net/festaw/article/details/140755144

H.265，也称为High Efficiency Video Coding (HEVC)，是由MPEG和ITU-T联合开发的最新视频编码标准。相比于其前身H.264/AVC，H.265提供了更高的压缩效率，使得在相同的视频质量下，可以显著降低比特率。H.265的一个关键特性是树编码单元（Coding Tree Unit, CTU），它是H.265中进行编码的基本单元。本文将深入分析CTU的概念、结构和作用。

H.265编码基础

H.265继承并扩展了H.264的编码技术，引入了多项创新技术，包括：

编码树结构：使用四叉树对图像进行划分，形成不同级别的编码单元。
变换和量化：采用更灵活的变换和量化策略，提高压缩效率。
自适应运动补偿：使用更复杂的运动补偿技术，提高预测精度。
并行处理：支持并行编码，提高编码效率。

CTU的概念

CTU是H.265中最大的编码单元，它是采用四叉树结构递归划分得到的。每个CTU可以进一步划分为多个编码单元（CU），每个CU可以是16x16、32x32或其他大小的矩形块。

CTU的特点

统一的编码单元：CTU为视频帧提供了统一的编码单元，简化了编码过程。
灵活的划分：CTU内的CU可以采用不同的大小，适应不同的视频内容。
编码深度：CTU可以递归划分到不同的深度，形成不同级别的CU。

CTU的结构

CTU的划分遵循以下规则：

初始化：将整个视频帧划分为多个大小相等的CTU。
递归划分：每个CTU可以递归地划分为四个子CU，直到达到预定义的最小CU大小或不能再进一步划分。
预测模式：每个CU可以独立选择帧内预测或帧间预测模式。

编码流程

划分CTU：将视频帧划分为多个CTU。
CU划分：在每个CTU内部递归地划分CU。
预测：为每个CU选择最佳的预测模式。
变换和量化：对CU的残差进行变换和量化。
熵编码：使用熵编码技术对变换和量化后的数据进行编码。

处理CTU示例代码

在C++中处理H.265的CTU（Coding Tree Unit）通常涉及到对视频编码库的深度使用，例如x265或者FFmpeg（如果它支持H.265编码）。下面是一个使用x265库的示例代码，展示如何初始化编码器、设置参数，并编码一个CTU。

环境准备

确保你的开发环境中安装了x265库。
包含x265开发头文件和库文件到你的项目中。

C++代码示例

#include <x265.h>
#include <iostream>

int main() {
    // 编码参数
    x265_param* param = x265_param_alloc();
    if (!param) {
        std::cerr << "Failed to allocate x265 parameters" << std::endl;
        return -1;
    }
    // 设置编码参数
    int ret = x265_param_default_preset(param, "ultrafast", "zerolatency");
    if (ret < 0) {
        std::cerr << "Failed to set x265 parameters" << std::endl;
        return -1;
    }
    // 配置CTU大小
    param->maxCUSize = 64; // 最大CTU大小为64x64
    param->minCUSize = 8;  // 最小CU大小为8x8
    // 打开编码器
    x265_encoder* encoder = x265_encoder_open(param);
    if (!encoder) {
        std::cerr << "Failed to open x265 encoder" << std::endl;
        return -1;
    }
    // 编码帧的模拟
    // 假设我们有一个YUV格式的帧数据
    // uint8_t* frameData = ...;
    // int width = ...;
    // int height = ...;
    // 分配帧结构体
    x265_picture pic;
    x265_picture_alloc(&pic, 0);
    // 将YUV数据复制到x265_picture中
    // 这里需要根据实际的YUV数据格式进行复制
    // 编码帧
    x265_nal* nal;
    uint32_t nal_size = 0;
    // 编码一帧
    ret = x265_encoder_encode(encoder, &nal, &nal_size, &pic, NULL);
    if (ret <= 0) {
        std::cerr << "Encoding failed" << std::endl;
    } else {
        // 处理编码后的NAL单元
        // 例如，将它们写入文件或通过网络发送
    }
    // 清理资源
    x265_picture_free(&pic);
    x265_encoder_close(encoder);
    x265_param_free(param);
    std::cout << "Encoding finished" << std::endl;
    return 0;
}