Unidad de árbol de codificación

La unidad de árbol de codificación ( CTU ) es la unidad de procesamiento básica del estándar de vídeo de codificación de vídeo de alta eficiencia (HEVC) y conceptualmente corresponde en estructura a las unidades de macrobloque que se utilizaron en varios estándares de vídeo anteriores. ^{[ 1 ] [ 2 ]} La CTU también se conoce como unidad de codificación más grande ( LCU ). ^{[ 3 ]}

Una CTU puede tener un tamaño de entre 16×16 píxeles y 64×64 píxeles, y un tamaño mayor generalmente aumenta la eficiencia de codificación. ^{[ 4 ] [ 2 ]} El primer estándar de vídeo que utiliza CTU es HEVC/H.265, que se convirtió en un estándar de la UIT-T el 13 de abril de 2013. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

Los métodos de codificación de macrobloques se han utilizado en los estándares de codificación de vídeo digital desde H.261 , que se publicó por primera vez en 1988. Sin embargo, para la corrección de errores y la relación señal-ruido, el tamaño estándar de macrobloque de 16x16 no es capaz de lograr el tipo de reducciones de bits que la teoría de la información y la teoría de la codificación sugieren que son teórica y prácticamente posibles. ^{[ 8 ]}

HEVC reemplaza los macrobloques , que se usaban con los estándares de video anteriores, con CTU que pueden usar estructuras de bloques más grandes de hasta 64×64 píxeles y pueden subdividir mejor la imagen en estructuras de tamaño variable. ^{[ 4 ] [ 9 ]}

HEVC divide inicialmente la imagen en CTU que luego se dividen para cada componente de luminancia/croma en bloques de árbol de codificación (CTB). ^{[ 4 ] [ 9 ]}

Un CTB puede ser de 64×64, 32×32 o 16×16, y un tamaño de bloque de píxeles mayor suele aumentar la eficiencia de codificación. ^{[ 4 ]} Los CTB se dividen luego en una o más unidades de codificación (CU), de modo que el tamaño de la CTU también es el tamaño de la unidad de codificación más grande. ^{[ 4 ]}

• La disposición de las CU en un CTB se conoce como quadtree, ya que una subdivisión da como resultado cuatro regiones más pequeñas. ^{[ 4 ]}
• Las CU se dividen luego en unidades de predicción (PU) de tipo predicción intra-imagen o inter-imagen, cuyo tamaño puede variar de 64×64 a 4×4. ^{[ 4 ] [ 9 ]} Para limitar el ancho de banda de memoria en el peor de los casos al aplicar compensación de movimiento en el proceso de decodificación, las unidades de predicción codificadas mediante predicción inter-imagen se restringen a un tamaño mínimo de 8×4 o 4×8 si se predicen a partir de una sola referencia (predicción uni) o 8×8 si se predicen a partir de dos referencias (predicción bi). ^{[ 4 ] [ 10 ]}
• Para codificar el residuo de predicción, una CU se divide en un quadtree de unidades de transformación DCT (TU). ^{[ 4 ] [ 11 ]} Las TU contienen coeficientes para la transformación de bloques espaciales y la cuantización. ^{[ 4 ] [ 9 ]} Una TU puede tener tamaños de bloque de píxeles de 32×32, 16×16, 8×8 o 4×4. ^{[ 4 ]}

En la reunión de HEVC de julio de 2012 se decidió, basándose en la propuesta JCTVC-J0334, que HEVC de nivel 5 o superior requeriría el uso de tamaños de CTB de 32×32 o 64×64. ^{[ 3 ] [ 12 ]} Esto se añadió a HEVC en el borrador del estándar internacional como un límite de nivel para la variable Log2MaxCtbSize. ^{[ 13 ]}

Log2MaxCtbSize pasó a llamarse CtbSizeY en el borrador HEVC de octubre de 2012 y luego CtbLog2SizeY en el borrador HEVC de enero de 2013. ^{[ 10 ] [ 14 ]}

El diseño de la mayoría de los estándares de codificación de vídeo está orientado principalmente a lograr la máxima eficiencia de codificación. ^{[ 2 ]} La eficiencia de codificación es la capacidad de codificar vídeo a la menor tasa de bits posible manteniendo un cierto nivel de calidad de vídeo. ^{[ 2 ]} HEVC se beneficia del uso de tamaños de CTB mayores. ^{[ 2 ]}

Esto se ha demostrado en pruebas de relación señal-ruido máxima (PSNR) con un codificador HEVC HM-8.0, donde se le obligó a utilizar tamaños de CTU progresivamente más pequeños. ^{[ 2 ]} Para todas las secuencias de prueba, en comparación con un tamaño de CTU de 64×64, se demostró que la tasa de bits HEVC aumentó un 2,2 % cuando se le obligó a utilizar un tamaño de CTU de 32×32 y aumentó un 11,0 % cuando se le obligó a utilizar un tamaño de CTU de 16×16. ^{[ 2 ]}

En las secuencias de prueba de Clase A, donde la resolución del video era de 2560×1600, en comparación con un tamaño de CTU de 64×64, se demostró que la tasa de bits HEVC aumentó un 5,7 % cuando se forzó el uso de un tamaño de CTU de 32×32 y aumentó un 28,2 % cuando se forzó el uso de un tamaño de CTU de 16×16. ^{[ 2 ]}

Las pruebas demostraron que los tamaños de CTU grandes se vuelven aún más importantes para la eficiencia de codificación con vídeo de mayor resolución. ^{[ 2 ]} Las pruebas también demostraron que la decodificación de vídeo HEVC codificado con un tamaño de CTU de 16×16 tardó un 60 % más que con un tamaño de CTU de 64×64. ^{[ 2 ]} Las pruebas demostraron que los tamaños de CTU grandes aumentan la eficiencia de codificación y, al mismo tiempo, reducen el tiempo de decodificación. ^{[ 2 ]} Las pruebas se realizaron con el perfil principal de HEVC basado en PSNR igual. ^{[ 2 ]}

• Codificación de vídeo de alta eficiencia (HEVC): estándar de vídeo que admite 8K UHDTV y resoluciones de hasta 8192 × 4320.
• H.264/MPEG-4 AVC : el estándar de vídeo predecesor de HEVC.
• VP9 : un códec de vídeo con superbloques, similares a las CTU.
• Macrobloque : la unidad de procesamiento básica utilizada en varios estándares de vídeo anteriores.

• Descripción general de HEVC
• eficiencia de codificación HEVC
• Recomendación H.265 de la UIT-T: Codificación de vídeo de alta eficiencia