وحدة شجرة الترميز

وحدة ترميز الشجرة ( CTU ) هي وحدة المعالجة الأساسية لمعيار ترميز الفيديو عالي الكفاءة (HEVC)، وتتوافق بنيتها من حيث المفهوم مع وحدات الماكرو بلوك المستخدمة في العديد من معايير الفيديو السابقة. ^{[ 1 ] [ 2 ]} ويُشار إلى وحدة ترميز الشجرة أيضًا باسم أكبر وحدة ترميز ( LCU ). ^{[ 3 ]}

يتراوح حجم وحدة ترميز الفيديو (CTU) بين 16×16 بكسل و64×64 بكسل، وعادةً ما يؤدي الحجم الأكبر إلى زيادة كفاءة الترميز. ^{[ 4 ] [ 2 ]} أول معيار فيديو يستخدم وحدات ترميز الفيديو هو HEVC/H.265، والذي أصبح معيارًا معتمدًا من قبل الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU-T) في 13 أبريل 2013. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

استُخدمت طرق ترميز الكتل الكبيرة في معايير ترميز الفيديو الرقمي منذ معيار H.261 الذي صدر لأول مرة عام 1988. ومع ذلك، فإن حجم الكتلة الكبيرة القياسي 16×16 لا يُتيح تصحيح الأخطاء وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء، وهو ما تُشير إليه نظرية المعلومات ونظرية الترميز من الناحية النظرية والعملية. ^{[ 8 ]}

يستبدل معيار HEVC وحدات الماكرو ، التي كانت تُستخدم في معايير الفيديو السابقة، بوحدات CTU التي يمكنها استخدام هياكل كتل أكبر تصل إلى 64×64 بكسل، كما يمكنها تقسيم الصورة بشكل أفضل إلى هياكل ذات أحجام متغيرة. ^{[ 4 ] [ 9 ]}

يقسم ترميز الفيديو عالي الكفاءة (HEVC) الصورة مبدئيًا إلى وحدات ترميز (CTUs)، والتي تُقسم بدورها لكل مكون من مكونات الإضاءة/اللون إلى كتل شجرة ترميز (CTBs). ^{[ 4 ] [ 9 ]}

يمكن أن يكون حجم وحدة ترميز البكسل (CTB) 64×64 أو 32×32 أو 16×16 بكسل، وعادةً ما يؤدي زيادة حجم كتلة البكسل إلى زيادة كفاءة الترميز. ^{[ 4 ]} تُقسّم وحدات ترميز البكسل (CTB) بعد ذلك إلى وحدة ترميز واحدة أو أكثر (CUs)، بحيث يكون حجم وحدة ترميز البكسل (CTU) هو أيضًا حجم وحدة الترميز الأكبر. ^{[ 4 ]}

• يُعرف ترتيب وحدات التحكم في شجرة التحكم باسم الشجرة الرباعية ، حيث ينتج عن التقسيم الفرعي أربع مناطق أصغر. ^{[ 4 ]}
• تُقسّم وحدات التشفير (CUs) إلى وحدات تنبؤ (PUs) من نوع التنبؤ داخل الصورة أو بين الصور، ويتراوح حجمها بين 64×64 و4×4. ^{[ 4 ] [ 9 ]} وللحد من استهلاك عرض النطاق الترددي للذاكرة في أسوأ الحالات عند تطبيق تعويض الحركة في عملية فك التشفير، تُقيّد وحدات التنبؤ المشفرة باستخدام التنبؤ بين الصور بحجم أدنى يبلغ 8×4 أو 4×8 إذا تم التنبؤ بها من مرجع واحد (تنبؤ أحادي)، أو 8×8 إذا تم التنبؤ بها من مرجعين (تنبؤ ثنائي). ^{[ 4 ] [ 10 ]}
• لترميز الباقي التنبؤي، تُقسّم وحدة الترميز (CU) إلى شجرة رباعية من وحدات تحويل جيب التمام المنفصل (DCT). ^{[ 4 ] [ 11 ]} تحتوي وحدات التحويل على معاملات لتحويل الكتلة المكانية والتكميم. ^{[ 4 ] [ 9 ]} يمكن أن تكون أحجام كتلة وحدة التحويل 32×32 أو 16×16 أو 8×8 أو 4×4 بكسل. ^{[ 4 ]}

في اجتماع HEVC المنعقد في يوليو 2012، تقرر، بناءً على الاقتراح JCTVC-J0334، أن يكون استخدام أحجام CTB إما 32×32 أو 64×64 إلزاميًا في مستوى HEVC 5 وما فوق. ^{[ 3 ] [ 12 ]} وقد أُضيف هذا الشرط إلى HEVC في مسودة المعيار الدولي كحد أقصى لمستوى متغير Log2MaxCtbSize. ^{[ 13 ]}

أُعيد تسمية Log2MaxCtbSize إلى CtbSizeY في مسودة HEVC الصادرة في أكتوبر 2012، ثم أُعيدت تسميتها إلى CtbLog2SizeY في مسودة HEVC الصادرة في يناير 2013. ^{[ 10 ] [ 14 ]}

يهدف تصميم معظم معايير ترميز الفيديو في المقام الأول إلى تحقيق أعلى كفاءة ترميز. ^{[ 2 ]} كفاءة الترميز هي القدرة على ترميز الفيديو بأقل معدل بت ممكن مع الحفاظ على مستوى معين من جودة الفيديو. ^{[ 2 ]} يستفيد ترميز الفيديو عالي الكفاءة (HEVC) من استخدام أحجام CTB أكبر. ^{[ 2 ]}

وقد تجلى ذلك في اختبارات نسبة الإشارة إلى الضوضاء القصوى (PSNR) باستخدام مُشفِّر HEVC HM-8.0، حيث تم إجباره على استخدام أحجام CTU أصغر تدريجيًا. ^{[ 2 ]} بالنسبة لجميع تسلسلات الاختبار، عند مقارنتها بحجم CTU 64×64، تبين أن معدل بت HEVC قد ازداد بنسبة 2.2% عند إجباره على استخدام حجم CTU 32×32، وازداد بنسبة 11.0% عند إجباره على استخدام حجم CTU 16×16. ^{[ 2 ]}

في تسلسلات اختبار الفئة أ، حيث كانت دقة الفيديو 2560×1600، عند مقارنتها بحجم وحدة ترميز الفيديو (CTU) 64×64، تبين أن معدل بت HEVC زاد بنسبة 5.7% عند استخدام حجم وحدة ترميز الفيديو 32×32، وزاد بنسبة 28.2% عند استخدام حجم وحدة ترميز الفيديو 16×16. ^{[ 2 ]}

أظهرت الاختبارات أن أحجام وحدات الترميز (CTU) الكبيرة تزداد أهميةً لكفاءة الترميز مع الفيديو عالي الدقة. ^{[ 2 ]} كما أظهرت الاختبارات أن فك تشفير فيديو HEVC المشفر بحجم CTU 16×16 يستغرق وقتًا أطول بنسبة 60% مقارنةً بحجم CTU 64×64. ^{[ 2 ]} وأظهرت الاختبارات أن أحجام وحدات الترميز الكبيرة تزيد من كفاءة الترميز مع تقليل وقت فك التشفير. ^{[ 2 ]} أُجريت الاختبارات باستخدام الملف التعريفي الرئيسي لـ HEVC بناءً على نسبة الإشارة إلى الضوضاء (PSNR) المتساوية. ^{[ 2 ]}

• ترميز الفيديو عالي الكفاءة (HEVC) - معيار فيديو يدعم دقة 8K UHDTV ودقة تصل إلى 8192 × 4320
• H.264/MPEG-4 AVC - معيار الفيديو السابق لـ HEVC
• VP9 - برنامج ترميز فيديو يحتوي على كتل فائقة، وهي مشابهة لوحدات ترميز الفيديو (CTUs).
• وحدة المعالجة الأساسية - وحدة المعالجة الأساسية المستخدمة في العديد من معايير الفيديو السابقة

• نظرة عامة على ترميز الفيديو عالي الكفاءة (HEVC)
• كفاءة ترميز HEVC
• توصية الاتحاد الدولي للاتصالات H.265 - ترميز الفيديو عالي الكفاءة