ISOIEC 23008-22023 信息技术.异构环境中的高效编码和媒体传送.第2部分高效视频编码标准立项发展报告

信息技术异构环境中的高效编码和媒体传送第2部分：高效视频编码标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:InformationTechnology—HighEfficiencyCodingandMediaDeliveryinHeterogeneousEnvironments—Part2:HighEfficiencyVideoCoding摘要随着超高清视频、虚拟现实、云游戏等新兴应用的迅猛发展，视频数据量呈指数级增长，对视频编码技术提出了更高的压缩效率和更强的适应性要求。高效视频编码（HEVC）作为继H.264/AVC之后的新一代视频编码标准，在同等视觉质量下可实现约50%的码率节省，已成为超高清视频传输与存储的核心技术支撑。本报告以ISO/IEC23008-2:2023标准为研究对象，系统梳理了该标准的立项背景、技术演进历程、核心编码框架及关键技术创新，深入分析了其在异构网络环境下的媒体传送适配机制和典型应用场景。报告指出，尽管该标准已进入废止状态，但其确立的编码工具集、并行处理架构和分层编码设计理念对后续视频编码标准（如VVC/H.266）的制定产生了深远影响，为全球视频编码产业的技术迭代和生态建设奠定了坚实基础。本报告旨在为视频编码领域的标准研制、技术选型和产业应用提供参考依据。关键词：高效视频编码；HEVC；ISO/IEC23008-2；异构环境；媒体传送；视频压缩；标准化Keywords:HighEfficiencyVideoCoding;HEVC;ISO/IEC23008-2;HeterogeneousEnvironments;MediaDelivery;VideoCompression;Standardization一、引言1.1研究背景视频信息约占全球互联网流量的80%以上，随着4K/8K超高清视频、沉浸式媒体、远程医疗、智能安防等高带宽应用的普及，视频编码技术的效率直接关系到网络基础设施的承载能力和终端用户的体验质量。在此背景下，国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）联合组建的动态图像专家组（MPEG）与ITU-T视频编码联合协作组（JCT-VC）于2010年正式启动新一代视频编码标准的联合制定工作，旨在解决高分辨率视频内容在带宽受限和异构网络环境下的高效传输问题。1.2标准定位ISO/IEC23008标准系列（即MPEG-H部分）系统定义了异构环境中高效编码和媒体传送的整体框架，其中第2部分（ISO/IEC23008-2）专门规定了高效视频编码（HEVC）的技术规范。该标准于2013年首次发布，后经多次修订完善，2023年版本为最终修订版，对应ITU-TH.265建议书。二、标准编制背景与立项依据2.1技术驱动力H.264/AVC标准（ISO/IEC14496-10）自2003年发布以来长期占据主导地位，但其编码效率在面对4K及以上分辨率视频时逐渐显露瓶颈。JCT-VC在立项之初设定了明确的性能目标：在同等主观视觉质量条件下，相较于H.264/AVCHighProfile实现50%的码率降低；同时支持从QCIF（176×144）到8KUHD（7680×4320）的全分辨率范围，并具备面向并行处理的架构设计能力。2.2产业需求驱动视频服务提供商面临带宽成本持续攀升与用户对画质要求不断提高的双重压力。流媒体平台、广播电视机构、视频会议系统、安防监控等垂直行业迫切需要新一代编码标准以降低分发成本并提升服务质量。与此同时，异构终端设备的普及（智能手机、平板、智能电视、可穿戴设备等）要求视频流能够自适应地适配不同屏幕分辨率、网络带宽和计算能力，这为HEVC标准的分层编码和可扩展编码设计提出了明确需求。2.3政策与市场环境全球多个国家和地区对超高清视频产业发展给予了高度重视。国际电联（ITU）发布的BT.2020建议书为超高清电视广播定义了参数规范，而高效压缩编码标准则是超高清产业落地的关键技术前提。此外，HEVC标准中引入的专利许可模式创新（如HEVCAdvance专利池的形成）也对全球视频编解码器知识产权生态产生了深远影响。三、标准主要内容与技术框架3.1编码框架概述ISO/IEC23008-2:2023所定义的HEVC编码器采用与H.264/AVC类似的混合编码框架，即"帧内/帧间预测+变换+量化+熵编码"的总体架构，但在各功能模块中引入了多项重大技术革新。3.2核心技术特征3.2.1灵活的块分割结构——编码树单元（CTU）HEVC引入编码树单元（CodingTreeUnit,CTU）作为基本编码单元，取代了H.264中固定大小的宏块（16×16）。CTU的尺寸可由编码器在64×64、32×32或16×16中选择，并采用四叉树递归分割方式灵活划分编码单元（CodingUnit,CU），可进一步划分至8×8。这一设计使编码器能够根据图像局部纹理特征自适应选择最优块尺寸，大幅提升了编码效率。预测单元（PredictionUnit,PU）和变换单元（TransformUnit,TU）在编码单元基础上实现独立划分，提供了更加灵活的预测和变换粒度。3.2.2增强的帧内预测HEVC提供多达35种帧内预测模式（包括33种角度模式、DC模式和平面模式），相较于H.264的9种模式有了显著扩展。更细粒度的角度划分（每4.5度一个预测方向）使得帧内预测能够更精确地匹配图像中的方向性纹理特征。此外，新增的平面预测模式有效改善了平滑区域和渐变区域的预测精度。3.2.3先进帧间预测与运动补偿在帧间预测方面，HEVC采用更先进的高精度运动补偿技术，包括：1/4像素精度运动估计（亮度分量采用7抽头或8抽头插值滤波器）；可变尺寸运动补偿（最小至8×4）；增强的跳过（Skip）和直接（Direct）预测模式；以及全新的运动矢量合并（Merge）机制，允许当前预测单元直接继承相邻已编码块的运动信息，大幅减少了运动参数的编码开销。高级运动矢量预测（AdvancedMotionVectorPrediction,AMVP）技术支持空间和时间上的运动矢量预测候选列表。3.2.4变换与量化HEVC支持的变换块尺寸从4×4到32×32，采用整数DCT近似变换（DCT-II），其中4×4变换还额外支持DST变换（DCT-VII）以提升帧内残差编码效率。多尺寸变换的选择灵活性增强了编码器对残差信号统计特性的自适应能力。3.2.5环路滤波技术HEVC在去块效应滤波（DeblockingFilter,DBF）的基础上新增了样点自适应补偿（SampleAdaptiveOffset,SAO）技术。SAO在去块效应滤波之后应用，通过对重建像素进行分类并添加强度偏移量，有效减少了振铃效应和带状伪影，进一步提升了主观图像质量和客观编码效率。3.2.6熵编码HEVC采用基于上下文的自适应二进制算术编码（CABAC）作为唯一熵编码方式（H.264中同时支持CAVLC作为低复杂度选项），并针对HEVC的块结构和语法元素进行了重新设计和优化。通过改进上下文建模和编码器加速算法，CABAC在保持高压缩效率的同时显著降低了运算复杂度。3.2.7并行处理工具为适应多核处理器和GPU并行架构的发展趋势，HEVC引入了三项关键并行处理工具：片（Tiles）——将图像划分为矩形区域可独立编码/解码，支持空间并行；波前并行处理（WAVEfrontParallelProcessing,WPP）——以CTU行为单位进行并行编码，在保持编码效率的同时提供高度并行性；依赖片（DependentSlices）——提供更细粒度的并行粒度。3.3档次与层级ISO/IEC23008-2定义了多个档次（Profiles），以支持不同应用场景的需求：-MainProfile：面向消费级视频应用，支持8-bit编码，4:2:0色度采样格式；-Main10Profile：支持10-bit编码，面向超高清广播和HDR内容，在同等码率下提供更高精度；-MainStillPictureProfile：面向静态图像编码应用；-RangeExtensionsProfile：支持更高比特深度（最高16-bit）和4:2:2/4:4:4色度采样格式；-ScalableMainProfile：支持空域、质量、信噪比等多维度的可扩展编码；-MultiviewMainProfile：面向立体视频和多视点视频应用。层级（Levels）限定了最大分辨率、帧率、比特率和解码能力，从Level1（176×144@15fps）至Level6.2（7680×4320@120fps）覆盖了从移动设备到超高清影院的完整应用范围。3.4异构环境适应性设计HEVC在设计之初即将异构环境的适配能力作为核心目标之一。其时间可扩展（TemporalScalability）通过层级化B帧（HierarchicalB-pictures）结构实现，支持帧率的多级抽取；空间可扩展（SpatialScalability）和支持信噪比可扩展（SNRScalability）在可扩展档次中实现。配合MPEG-H系列其他部分（如ISO/IEC23008-1的媒体传送框架和ISO/IEC23008-3的3D音频），HEVC在异构网络环境下可实现自适应的媒体流化、多码率适配选择和分层传输，满足从窄带移动到超宽带固网的全场景覆盖需求。四、标准实施与应用情况4.1产业应用HEVC标准在全球范围内获得了广泛产业化应用，涵盖了超高清蓝光光盘（UltraHDBlu-ray）、数字电视广播（DVB-T2/T2-Lite、ATSC3.0）、流媒体服务（部分主流视频平台曾采用HEVC进行4K内容分发）、视频会议系统、专业级视频编解码设备以及苹果（Apple）等终端厂商的系统级支持。4.2专利与许可HEVC标准的专利许可模式引发了行业广泛关注与讨论。MPEGLA、HEVCAdvance和VelosMedia等多家专利池运营机构相继成立，同时也有大量专利权人选择独立许可。多边许可格局的形成对标准推广和产业应用产生了双重影响：一方面保障了专利权人的合理回报，另一方面也增加了实施者的许可成本和复杂性。4.3标准演进与更替随着VersatileVideoCoding（VVC/H.266，ISO/IEC23090-3）标准的发布和产业化推进，HEVC正逐步完成其历史使命。VVC在HEVC基础上进一步实现了约30%-50%的编码效率提升，并针对屏幕内容编码、360度视频、HDR等新场景进行了专门优化。ISO/IEC23008-2:2023版本的废止标志着HEVC标准制定工作的正式完结，但其技术遗产和应用价值仍然深远。五、主要参与单位介绍5.1国际标准化组织与国际电工委员会ISO/IEC23008-2由ISO/IECJTC1（联合技术委员会）下属的SC29（音频、图像、多媒体和超媒体信息编码分技术委员会）负责归口管理，具体工作由MPEG（MovingPictureExpertsGroup，动态图像专家组）承担。MPEG成立于1988年，先后制定了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21等具有里程碑意义的国际标准，是多媒体压缩和传输领域最具影响力的标准化组织之一。5.2联合视频编码协作组（JCT-VC）JCT-VC是ISO/IECMPEG与ITU-TSG16（VCEG，视频编码专家组）于2010年1月联合成立的协作机构，专门负责HEVC标准的联合制定工作。JCT-VC汇聚了来自全球通信设备制造商、消费电子企业、芯片设计公司、研究机构和高校的顶尖视频编码专家，通过两年多的密集技术提案评审和核心实验验证，最终形成了HEVC标准第一版（2013年）。JCT-VC的工作模式为后续VVC标准的制定提供了成熟的组织范式。5.3代表性企业贡献HEVC标准的制定得到了全球众多企业和技术机构的积极参与。高通、三星、索尼、松下、华为、爱立信、诺基亚、杜比、FraunhoferHHI、麻省理工学院等机构均在该标准的制定过程中贡献了大量核心技术提案。其中，FraunhoferHHI作为HEVC的主要技术贡献者之一，深度参与了从基础算法研究、编解码器参考软件实现（HM，HEVCTestModel）到标准文本起草的全过程。六、结论与展望6.1结论ISO/IEC23008-2:2023作为高效视频编码领域的标志性国际标准，成功实现了在同等主观质量下比H.264/AVC节省约50%码率的既定目标，为超高清视频产业的规模化发展提供了关键技术支撑。其确立的编码树单元结构、样点自适应补偿、并行处理工具等技术方案已成为现代视频编码标准的基础组件。HEVC标准的制定和推广不仅推动了视频压缩技术的跨越式进步，也在标准组织协作模式、专利许可生态建设等方面积累了宝贵经验。当前，虽然HEVC标准已正式废止，但其对视频编码技术发展的深刻影响仍将持续。在标准的应用层面，既有HEVC编码视频内容的存量兼容和转码需求依然庞大，HEVC仍将在未来相当长的时期内作为重要过渡性标准存在。6.2展望视频编码技术正在向更高效率、更强适应性和更广泛场景覆盖的方向持续演进。VVC（H.266）已实现比HEVC约50%的进一步压缩效率提升，面向机器视觉的VCM（VideoCodingforMachines）标准也在加速推进，深度学习与神经网络技术在视频编码中的应用已成为研究热点。与此同时，面向8K、HDR、高帧率、沉浸式媒体（VR/AR/自由视点）等新兴应用场景的编码需求正在催生新一轮技术革新。可以预见，未来的视频编码标准将更加注重智能化、场景自适应和端云协同能力，在保持人类视觉感知质量的前提下兼顾机器分析任务的需求，为数字媒体产业发展提供更为坚实的标准基础。参考文献[1]ISO/IEC