HEVC技術的專利狀況分析

張志華

摘 要 文章首先簡要介紹了高效視頻編碼（HEVC）的產生背景，隨后對其相對于H.264/AVC采用的新的關鍵技術進行了介紹，然后通過對HEVC進行檢索，統計分析了HEVC技術的專利申請情況，并介紹了典型的專利申請案例，對HEVC的專利概況進行了簡單的梳理。

關鍵詞 HEVC；專利申請；專利分析

中圖分類號 C18 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）219-0136-03

近年來，隨著高清、超高清視頻應用的興起，視頻信息的數據量大大增加，現有的視頻壓縮標準H.264/AVC已經不能滿足海量視頻的傳輸和存儲要求。為此，ITU-T和ISO/IEC聯合成立了視頻編碼聯合組（JCT-VC），致力于研制具有更高壓縮率的新一代視頻編碼標準——H.265/HEVC [ 1 ]。

1 HEVC關鍵技術[2]

1.1 基于四叉樹靈活的塊分割結構

HEVC中為圖像的劃分定義了一套全新的分割結構，包括：編碼樹單元（CTU）、編碼單元（CU）、預測單元（PU）和變換單元（TU）。一個CTU可以通過四叉樹遞歸分解的方式劃分為若干CU，一個CU在進行幀內/幀間預測時可以劃分成一個或多個PU，在進行變換和量化時又可以劃分成多個TU。每個葉子節點上的CU是HEVC中進行編碼的基本單位，用于指示當前塊的預測模式，即幀內或幀間預測。這種四叉樹結構使得HEVC能夠根據當前塊的局部特性靈活地進行分塊處理，在平滑區域采用較大的編碼單元，而在紋理細節區域采用較小的編碼單元，從而能夠更好地提高壓縮效率。

1.2 改進的幀內預測技術

為了更準確地反映紋理特性，降低預測誤差，HEVC提出了更為精確的幀內預測技術。對于亮度信息，HEVC中一共定義了35種幀內預測模式，包括Planar預測模式、DC預測模式和33種角度預測，與H.264/AVC的9種預測模式相比增加了許多。增加的預測模式能夠更好地匹配視頻中復雜的方向性紋理信息，從而得到更好的預測效果。

1.3 先進的幀間預測技術

為了提升幀間預測性能，在HEVC中引入了新的幀間預測技術，設有3種模式，分別是Skip模式、Merge模式和Inter模式。其中Skip模式和Merge模式均無需傳送運動矢量信息，只傳送候選PU塊的索引信息即可，這樣大幅節省了運動信息的編碼比特數。在Skip模式中，連運動補償后的預測殘差信息也無需傳送，在解碼端直接由運動補償得到的預測信號作為重構信號。對于Inter模式，每一個預測單元含有一組運動參數，包括：幀間預測的方向、參考幀的索引值、運動向量預測器的索引值以及運動向量的預測殘差。

1.4 自適應熵編碼技術

HEVC中選擇基于上下文的自適應二進制算術編碼（CABAC）作為熵編碼算法，其基本設計與H.264/ AVC中的CABAC類似，但是HEVC中CABAC熵編碼器的上下文數量、數據間的相互依賴性較H.264有所減少，通過對相同上下文的編碼符號進行組合，對通過旁路編碼的符號進行組合，同時減少解析碼流時的相互依賴性以及對內存讀取的需求，使得熵編碼的效率得到進一步提高。

1.5 樣值自適應補償技術（SAO）

圖像經過編碼后，重構圖像的失真不僅存在方塊效應，還存在振鈴效應。HEVC引入樣本自適應補償技術，對重建圖像的像素分為不同的類型，然后按照不同的類型為每個像素加上相應的偏移量，從而補償重構像素值，降低源圖像的失真，以達到減少振鈴效應失真的目的。SAO主要分為帶狀補償和邊緣補償兩種。帶狀補償主要是針對不同的像素值范圍給予不同的補償值。邊緣補償主要是對圖像的輪廓進行補償[3]。

2 專利申請總體狀況

為了研究HEVC專利申請的現狀，筆者在中文專利摘要庫、中文專利全文庫、英文專利摘要庫及英文專利全文庫中利用關鍵詞、分類號等多種檢索手段，對涉及HEVC的專利文獻進行了檢索，檢索截止日期為2017年12月31日。經檢索，共獲得全球范圍內HEVC相關專利申請6 933件。由于彼時2016-2017年的部分專利申請尚未公開，文章僅針對已公開的專利申請進行數據統計分析。

2.1 申請量變化趨勢

圖1為2010年至2017年HEVC技術相關專利全球及中國申請量的變化趨勢圖。由于JCT-VC于2010年1月才成立，之后正式開始征集提案，因此2010年涉及HEVC的專利申請較少，各公司都剛剛著手進行HEVC技術的研發。隨著技術研發工作的推進，2011-2012年，申請量快速增長。

2013年4月，HEVC被ITU-T正式接受為國際標準。反映到專利申請量方面，2013年的申請量達到頂峰，申請人紛紛圍繞新制定的HEVC標準進行專利布局。隨著各項關鍵技術研究的深入開展，2014年的申請量仍保持高位。隨著該領域技術的日漸成熟，2015年開始申請量出現明顯回落。2016年，特別是2017年專利申請量較少的原因與統計時間有關，相關專利申請尚未公開。

HEVC技術在中國的專利申請量相對較少，在中國提出申請或有中文同族的申請僅457件。雖然在 2010年已提出4件申請，但申請量增長比較緩慢，明顯落后于全球HEVC申請量的增長勢頭。這說明我國申請人雖然已有一定的專利布局意識，但技術研發水平較國外申請還有一定差距。

到2017年我國申請量才開始快速增長，一舉達到145件，且考慮到2017年相當一部分申請尚未公開，該上升趨勢實際上會更加迅猛。這一方面是由于其他國家之前的申請開始進入中國，另一方面，也說明國內企業和高校仍在針對HEVC標準不斷進行改進。此時，HEVC的發展已經進入了一種穩定的狀態，不再有爆發性的技術革命，而是相關技術的不斷改進和完善。這說明我國企業和高校對HEVC的研發多以細節上的改進為主，旨在對HEVC標準進行進一步完善和升級，根本性的技術創新較少。

2.2 申請人分析

涉及HEVC技術的專利申請的主要申請人及其申請數量如圖2所示。從申請人的分布情況來看，高通遙遙領先，占據絕對優勢，體現了其在該領域的強勁實力。臺灣的聯發科技和日本的索尼分別位列第二和第三，表明其對HEVC的研究也處于全球領先地位。除索尼外，日本的佳能、松下、夏普排名均進入前十位，體現了日本企業在該領域的研發實力。華為公司位列第四位，是國內申請人中在該領域申請量最高的，也是唯一進入前十的中國大陸企業，這體現了華為公司近年來對技術研發和專利申請保護的日益重視，但與國外申請人的申請量相比還有一定的差距，國內企業仍然需要更加努力，縮小差距。

3 典型專利申請

3.1 CN102984521A涉及編碼單元劃分

本發明利用相鄰幀之間的PU模式選擇的相似性，根據前一幀中大尺寸CU所采取的PU模式，選擇當前CU的PU模式，跳過一些不太可能的CU分塊尺寸及PU預測模式，所述方法包括：預測方式配置和預測模式選擇，在預測方式配置中，CU分割深度不大于4，PU采用對稱和非對稱綜合預測模式或只采用對稱預測模式，在預測模式選擇中，將當前深度CU總的率—失真代價之和與上一層CU總的率—失真代價之和進行比較，若比上層更小，則進一步采取四叉樹劃分成4個更下一層深度的CU，否則終止四叉樹劃分。本方法能減少所需遍歷的PU模式，從而能減少率失真代價計算的數量，最終能降低HEVC視頻編碼的計算復雜度。

3.2 CN104639940A涉及幀內預測模式選擇

本發明在幀內預測模式粗選后，充分利用了粗選的幀內預測模式對應的基于哈德瑪變換的代價值的統計特性，充分考慮了視頻紋理方向與幀內預測模式角度的相關性，對于不同尺寸的預測單元類型，通過閾值的方法來快速篩減粗選后的幀內預測模式或者通過計算粗選的幀內預測模式的連續性來反映預測單元的紋理方向，從而篩選掉相應不必要的粗選的幀內預測模式，這樣不會引入過多的額外計算量；其在驗證最有可能預測模式的過程中，充分考慮了粗選的幀內預測模式和最有可能預測模式的相關性，及視頻圖像本身的空間相關性，快速的獲得了最終的最優幀內預測模式，在保證視頻編碼質量的前提下，減少了幀內編碼復雜度。

3.3 CN103609121A涉及在幀間預測中的候選塊選擇

本發明確定用于待譯碼的視頻數據的當前塊的運動向量預測過程的多種模式中的一者；使用所確定模式和候選塊集合執行用于視頻數據的當前塊的運動向量預測過程，其中，候選塊集合對于多種模式中的每一者相同，可包含左上方候選塊、上方候選塊、右上方候選塊、左側候選塊、左下方候選塊、時間候選塊，多種模式可包含合并模式和自適應運動向量預測模式。該方法使得存儲運動向量和其它幀間預測相關信息需要較少存儲器，存儲器帶寬要求也可得以減少。

3.4 CN103563380A涉及基于上下文自適應二進制算術編碼

本發明提供一種減少用于上下文自適應熵處理的行緩存的方法，包括確定用于處理區域中當前塊的當前語法元素的上下文信息，其中，該上下文信息依據相應于相鄰區塊的區塊信息；如果該相鄰區塊相對于該當前區塊位于區域邊界的不同邊，以替換區塊信息來替換相應于該相鄰區塊的該區塊信息；根據該上下文信息執行該當前語法元素的上下文自適應熵處理。該方法可有效地減少或移除行緩存需求。

3.5 CN103404137A涉及樣本自適應補償

本發明使用率失真優化對已處理視頻數據的SAO補償的模式決定方法：接收已處理視頻數據；識別SAO的多個模式；依據失真減少量決定每一模式相關的失真，第一失真與已SAO補償信號和已處理視頻數據相關的原始信號相關，第二失真信號與重建信號（128）和已處理視頻數據相關的原始信號有關；基于失真決定每一模式的率失真成本，在多個模式中選擇最佳模式，其中最佳模式具有最小的率失真成本；依據已選擇的最佳模式對已處理視頻數據應用SAO。該方法可以大大減少所需的計算和圖像緩沖區的訪問。

4 結論

文章簡要介紹了HEVC的發展概況、主要技術熱點和專利申請情況，同時對典型專利進行了分析。可以看出，HEVC具有很多有特色的核心技術，這使得它具有出色的壓縮性能和更好的實用性。在不久的將來，其必將于取代H.264/AVC，成為廣泛應用的主流編碼標準。

申請量位于前10位的申請人均為企業，這說明該技術已經進入實際應用階段，各大通信企業都大力投入到了該技術的研發和測試中。尤其需要關注的是該技術領域中的領軍企業高通，其申請總量占據絕對優勢，重要專利數量也非常多，且積極在各國家和地區進行專利布局，值得國內企業跟蹤學習。

參考文獻

[1]萬帥，楊付正.新一代高效視頻編碼H.265/HEVC：原理、標準與實現[M].北京：電子工業出版社，2014.

[2]趙耀，黃晗，林春雨，等.新一代視頻編碼標準HEVC的關鍵技術[J].數據采集與處理，2014，29（1）：1-10.

[3]崔遙，劉軍.HEVC關鍵技術介紹[J].科技創新與應用，2012（33）：1.