【HEVC简介】CTU、CU、PU、TU结构

 参考文献：见《High Efficiency Video Coding (HEVC)》Block Structures and Parallelism Features in HEVC章节

《HEVC标准介绍、HEVC帧间预测论文笔记》系列博客，目录见：http://www.cnblogs.com/DwyaneTalk/p/5711333.html

 

CTU：coding tree unit，编码树单元，LCU

        对于YUV=420格式的彩色视频：一个CTU由一个CTB of the luma samples 、2个CTBs of the choma samples和相关的语法元素组成。Luma CTB是一个2^N  x 2^N的像素区域，而相应的Choma CTB是2^(N-1) x 2^(N-1)的像素区域，N的值在编码器中确定，并在SPS(sequence parameter set)中传输。N可选4，5，6，表示CTU的大小可取16、32、64。

        CTU相当于H.264中的MarcoBlock划分图片的概念，是在编码过程中的独立编码单位，然后可以递归划分成CU。

 

CU：coding unit，编码单元

        每一个CTU，可以进一步均匀划分成4个square CUs，一个CU又可以递归按四叉树结构划分成4个小的CUs。对于YUV=420的彩色视频：一个CU由一个CB of the luma samples、2个CBs of the choma samples和相关的语法元素。一个Luma CB是2^N x 2^N（此处的N与CTU中的N大小不同）的像素区域，而相应的choma CB是2^(N-1) x 2^(N-1)的像素区域，N的值同样在编码器中确定，并在SPS中传输。

        编码时，在CTU level，通过传输split_cu_flags标志指明CTU是否进一步划分成四个CU。类似地，对于一个CU，也通过一个split_cu_flags标志指明是否进一步划分成子CU。CU通过split_cu_flags标志指示进行递归的划分，直到split_cu_flags==0或者达到最小的CU尺寸（mininum CU size），对于达到最小尺寸的CU，不需要传输split_cu_flags标志，CU的最小尺寸参数（通过CTU深度确定）在编码器中确定，并在SPS中进行传输。

        所以CU的大小范围是：minunum size CU ~CTU，一般情况设置CTU为64，最小CU为8（通过CTU深度确定），所以此时CU大小可取8、16、32、64。一个CTU进行编码时，是按照深度优先的顺序进行CU编码，类似于z-scan，如下图：右边表示CTU的递归四叉树划分，左边表示CTU中CU的编码顺序。

        视频序列的分辨率（长和宽参数）也会在SPS中传输，要求长宽必须是mininum CU size的整数倍，但是可以不是 CTU size的整数倍。对于长宽不是CTU size整数倍的情况，图像边界处的CTU被认为已经分割成和图像边界重合（the  CTUs at the borders are inferred to be split until the boundaries of the resulting blocks coincide with the picture boundary），对于这种边界处默认的分割，不需要传输split_cu_flags标志。  

        CU块是进行决策帧间、帧内、Skip/Merge模式的基本单元。

 

PU：prediction unit，预测单元

        在CU level决定prediction mode，并将一个CU的prediction mode传输在bitstream中。而PU是是进行预测的基本单元，有一个PB of the luma、2个PB of the choma和相应的语法元素组成。

 

如果一个CU的prediction mode是intra prediction（帧内预测）：

        对于luma CU：有35个可选的帧内预测方向（Plannar(0)、DC(1)和方向预测(2~34)），对于mininum size的luma CB，可以平均划分成4个方形的subblocks，对于每个subblock进行独立的帧内预测，有独立的intra prediction mode。也就是说对于帧内预测的CU，可以进行2Nx2N和NxN两种PU划分模式，且NxN模式只有对mininum size CB可以使用。

        一个帧内luma PU块，预测模式确定之后，需要对预测模式进行编码。HEVC中在进行帧内预测模式编码时，先为每个intra PU确定3个最可能模式（确定策略后面介绍），假设为S=｛M1，M2，M3｝。然后通过判断luma PU的帧内预测模式是否在S中，如果在S中，则需要2bit编码预测模式在S中的索引，否则需要5bit编码预测模式在另外32种模式中的索引。

        对于luma PU，确定最可能3个预测模式是根据当前PU左边和上边的预测模式，假设左边和上边的预测模式分别是A和B，如果左边或上边PU不是帧内预测模式或是PCM模式，则A或B为DC；另外，如果上边PU块不在当前CTU内，那么B也为DC。确定好A和B之后：

        当A=B时，如果A，B都大于2，即A和B都不是Planar或DC，那么：

            M1=A；

            M2=2+（（A-2-1+32）%32）

            M3=2+（（A-2+1）%32）

       当A=B时，如果A，B至少有一个小于2，即A或B是Planar或DC，那么：

            M1=Planar，M2=DC，M3=26（竖直方向预测）

       当A！=B时，M1=A，M2=B，对于M3按照下面规则决定：

            如果A和B都不是Planar，那么M3=Planar；

            如果A和B都不是DC，那么M3=DC；

            否则，说明｛A，B｝=｛Planar，DC｝，那么M3=26。

       对于choma luma：有5个可选的帧内预测方向（Planar/0、DC/1、Vertical/26、Horizontal/10和luma PU的预测方向）。对于预测模式的编码，通过0表示luma PU的预测方向，100、111、101和110分别表示Planar/0、DC/1、Vertical/26和Horizontal/10。

       另外，在进行帧内预测时，如果CU是mininum size CU，且将CU划分成4个PU时，那么要保证TU小于等于PU，如下图：表示一个8x8的CU块分成4个PU，那么必须分成四个4x4的TU块，至于每个TU是否进一步划分成更小的TU不作限定，只根据正常TU划分的条件判断。这是为了提高intra预测的精确度。图a表示如果CU不化成4个TU，那么intra预测的距离就会较远。图b则表示了将CU划分成4个TU，这时候预测右边的小PU时，左边的PU已经预测完成，并进行了变换和重建，可以保证预测距离更近。

如果一个CU的prediction mode是inter prediction（帧间预测）：

        对于inter PU，luma PB和choma PBs拥有相同的PU划分模式和motion parameters（包括运动估计方向数目(1/2)，参考帧索引，和对每个运动估计方向的运动矢量MV）。HEVC中有8中PU划分模式(2Nx2N、NxN、2个SMP和4个AMP)，如下图所示：

        对于NxN模式，只有mininum size CU可以使用，且8x8CU不能使用。

        对于AMP模式，只有32x32和16x16的CU可以使用，8x8和64x64的CU不能使用，所以inter PU的最小尺寸为8x4和4x8，这是因为TU最小尺寸为4x4，进行变换的最小单元也是4x4。另外，HEVC可以在SPS中通过一个syntax禁用AMP。

        从H.262到HEVC过程中，PU的可选大小变化如下图：

如果一个CU的prediction mode是Skip：

        那么PU的划分模式只能是2N x 2N。

        PS：对于4x8和8x4，HEVC规定只能用单向预测，不能用双向预测。

                在HM1中，实际可以通过inter_4x4_enabled_flag（在SPS中）指示是否使用4x4的PU。

 

TU：transform unit，变换单元

    对于是进行变量的单元，一个CU可以递归按照四叉树结构划分成TUs，CU作为四叉树的root，如下图表示一个CU划分成TUs的结构：

        CU划分成TUs中，TU的大小范围取决于max TU size、min TU size和max TU depth三个参数决定，这三个参数在SPS level进行传输。max TU size为5表示最大TU是32x32，min TU size为2表示最小TU是4x4。max depth为3表示CU划分成TU最多划分成3层（如上图10、11、12、13就在第3层）。对于intra predition，要确保PU大于等于TU（即TU不跨多个intra PU），而inter predition没有相应的限制。

        另外，对于一个CU，最多有一个trasform tree syntax，所以一个CU的luma CB 和choma CBs拥有相同的TU划分。但是除了对于8x8的luma CB划分成4x4的TB时，4x4的choma CBs不会划分成2x2的TB。