H.265:網絡視頻的高清時代

2013-02-08 14:01
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去年八月,愛立信公司推出了首款H.265編解碼器,而在僅僅六個月之後,國際電聯(ITU)就正式批准通過了HEVC/H.265標準,標準全稱為高效視頻編碼( High Efficiency Video Coding),相較於目前的H.264標準有了相當大的改善。 H.265旨在在有限帶寬下傳輸更高質量的網絡視頻,僅需原先的一半帶寬即可播放相同質量的視頻。這也意味著,我們的智能手機、平板機等流動設備將能夠直接在線播放1080p的全高清視頻。H.265標準也同時支援4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清視頻。可以說,H.265標準讓網絡視頻跟上了顯示屏“高解像度化”的腳步。

可能在幾個月內,你就能看到支援H.265解碼的設備上市了(如智能手機、顯卡等)。H.264統治了過去的五年,而未來的五年甚至十年,H.265很可能將會成為主流。


為什麼H.265優於H.264

在討論H.265有哪些提升和優點之前,我們不妨先來瞭解一下H.264。

H.264,也稱作MPEG-4 AVC(Advanced Video Codec/高級視頻編碼),是一種視頻壓縮標準,同時也是一種被廣泛使用的高精度視頻的錄製、壓縮和發佈格式。H.264因其是藍光光盤的一種編解碼標準而著名,所有藍光播放器都必須能解碼H.264。更重要的是,因為 Apple 公司當初毅然決然拋棄了Adobe VP6編碼,選擇了H.264,這個標準也就隨著數億台iPad和iPhone走入了千家萬戶,成為了目前視頻編碼領域的絕對霸主,佔有超過80%的份額。H.264也被廣泛用於網絡流媒體數據、各種高清晰度電視陸地廣播以及衛星電視廣播等領域。

​H.264相較於以前的編碼標準有著一些新特性,如多參考幀的運動補償、變塊尺寸運動補償、幀內預測編碼等,通過利用這些新特性,H.264比其他編碼標準有著更高的視頻質量和更低的碼率,也因此受到了人們的認可。

H.265/HEVC的編碼架構大致上和H.264/AVC的架構相似,主要也包含,幀內預測(intra prediction)、幀間預測(inter prediction)、轉換(transform)、量化(quantization)、去區塊濾波器(deblocking filter)、熵編碼(entropy coding)等模塊,但在HEVC編碼架構中,整體被分為了三個基本單位,分別是:編碼單位(coding unit,CU)、預測單位( predict unit,PU)和轉換單位(transform unit,TU )。

比起H.264/AVC,H.265/HEVC提供了更多不同的工具來降低碼率,以編碼單位來說,H.264中每個宏塊(marcoblock/MB)大小都是固定的16x16像素,而H.265的編碼單位可以選擇從最小的8x8到最大的64x64。

以下圖為例,信息量不多的區域(顏色變化不明顯,比如車體的紅色部分和地面的灰色部分)劃分的宏塊較大,編碼後的碼字較少,而細節多的地方(輪胎)劃分的宏塊就相應的小和多一些,編碼後的碼字較多,這樣就相當於對圖像進行了有重點的編碼,從而降低了整體的碼率,編碼效率就相應提高了。


同時,H.265的幀內預測模式支援33種方向(H.264只支援8種),並且提供了更好的運動補償處理和矢量預測方法。

反复的質量比較測試已經表明,在相同的圖像質量下,相比於H.264,通過H.265編碼的視頻大小將減少大約39-44%。由於質量控制的測定方法不同,這個數據也會有相應的變化。

通過主觀視覺測試得出的數據顯示,在碼率減少51-74%的情況下,H.265編碼視頻的質量還能與H.264編碼視頻近似甚至更好,其本質上說是比預期的信噪比(PSNR)要好。

這些主觀視覺測試的評判標準覆蓋了許多學科,包括心理學和人眼視覺特性等,視頻樣本非常廣泛,雖然它們不能作為最終結論,但這也是非常鼓舞人心的結果。

H.264與H.265編碼視頻的主觀視覺測試對比,我們可以看到後者的碼率比前者大大減少了


目前的HEVC標準共有三種模式:Main、Main 10、Main Still Picture。Main模式支援8bit色深(即紅綠藍三色各有256個色度,共1670萬色),Main 10模式支援10bit色深,將會用於超高清電視(UHDTV)上。前兩者都將色度採樣格式限製為4:2:0。預期將在2014年對標準有所擴展,將會支援4:2:2和4:4:4採樣格式(即提供了更高的色彩還原度),和多視圖編碼(例如3D立體視頻編碼) 。

事實上,H.265和H.264標準在各種功能上有一些重疊,例如,H.264標準中的Hi10P部分就支援10bit色深的視頻。另一個H.264的部分(Hi444PP)還可以支援4:4:4色度抽樣和14bit色深。在這種情況下,H.265和H.264的區別就體現在前者可以使用更少的帶寬來提供同樣的功能,其代價就是設備計算能力:H.265編碼的視頻需要更多的計算能力來解碼。

目前已經有支援H.265解碼的芯片發佈了—— 博通公司在今年1月初的CES大展上發佈了一款Brahma BCM7445芯片,它是一個採用28納米工藝的四核處理器,可以同時轉碼四個1080P視頻數據流,或解析解像度為4096×2160的H.265編碼超高清視頻。 H.265的未來

對於普通消費者來說,更關心的肯定是還要多久才能買到支援H.265/HEVC解碼的設備。這就要取決於很多因素了。AMD和NVIDIA等顯卡巨頭可能會在相當短的時間內整合H.265,儘管H.265還有許多新功能尚未添加。第一代芯片可能只適用於剛定案的標準,待將來擴展完成後,還會做出支援H.265多視圖解碼的版本。

由於不同的公司對於H.264視頻的解碼能力不同,就設備級的兼容性而言,我們可能會看到一些“忽悠人”的信息。比如,那些CPU足夠強大,可以強行通過計算能力實現H.265視頻解碼的智能手機或平板機就能被宣傳成“支援H.265視頻解碼”,而這樣的“支援”則會使它們在處理視頻時耗電急劇增加。

肯定會出現一些無良公司,大肆宣揚H.265云云,將這個新的視頻標準當做是一個區別設備級別的噱頭,這樣就可以把尚未真正支援H.265解碼的視頻賣給不明真相的消費者。實際上,這些內容又會是由各大媒體和廣告公司負責製作,所以其中內幕就更加複雜了。

目前,有線電視和數字電視廣播主要採用仍舊是MPEG-2標準。好消息是,H.265標準的出台最終可以說服廣播電視公司放棄垂垂老矣的MPEG-2,因為同樣的內容,H.265可以減少70-80%的帶寬消耗。這就可以在現有帶寬條件下輕鬆支援全高清1080p廣播。但是另一方面,電視廣播公司又很少有想要創新的理由,因為大多數有線電視公司在他們的目標市場中面臨的競爭實在是有限。出於節省帶寬的目的,反而是衛星電視公司可能將會率先採用H.265標準。

從長遠角度看,H.265標準將會成為超高清電視(UHDTV)的4K和8K解像度的選擇,但這也會帶來其它問題,比如目前還極少有原生4K解像度的視頻內容。H.265標準的完成意味著內容擁有者現在已經有了一個對應的理論標準,但是他們現在還沒有一個統一的方式來傳送內容。

Sony 正在計劃一個4K電影數字傳送服務,供那些購買 Sony 4K電視的顧客使用,並且還在今年推出了名為“Mastered in 4K”的高清藍光DVD播放器。這些1080p的影片是從4K數字母版轉換而來,並且將來有望推出質量更好的“近4K體驗”。


標清(SD)、高清(HD)和8K解像度超高清(UHD)視頻大小對比圖

藍光光盤協會(The Blu-ray Disc Association)正在研究在藍光光盤標準中支援4K解像度視頻的方法,但是這可沒那麼簡單。理論上H.264在擴展後就可以擁有這個功能,但是到那時碼率問題又會浮出水面。一個H.264編碼的4K藍光電影需要的存儲空間遠大於相同內容的H.265版本,其大小可高達100G以上,而現有的播放器也不支援100-128GB的高容量可刻錄可擦寫光盤(BDXL)。

到目前為止,仍然沒有一個妥善解決方案,可以將4K解像度視頻加入已有的藍光標準中並且不破壞其兼容性。雖然更新到H.265標準並不需要對光盤製造工藝進行改進,但卻需要製造全新的播放器才能將新的藍光光盤播放出來,雖然現在的有些播放器可以播放高密度光盤,但那也需要進行設備檢查升級才行。

另一個大問題就是遊戲主機對H.265標準的支援。 Sony 的PS2和PS3主機推動了DVD和藍光標準的發展,而即將發佈的PS4理論上很可能將支援4K解像度的內容,但4K解像度的視頻該怎樣傳送, ​​通過哪些標準進行支援?這仍然還在討論中。

目前看來,對於H.265/HEVC標準,我們仍需持謹慎樂觀態度。但有一點是肯定的:H.265標準在同等的內容質量上會顯著減少帶寬消耗,有了H.265,高清1080P電視廣播和4K視頻的網絡播放將不在困難,但前提是 Sony 或者其它媒體巨頭能想出辦法來傳送這些內容。同時,如果流動設備要採用H.265標準,那麼其在解碼視頻時對電量的高消耗也是各大廠商需要解決的問題。

文章來源:果殼網



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