H.265

　制定

　　2012年8月，愛立信公司推出了首款H.265編解碼器，而在僅僅六個(gè)月之后，國(guó)際電聯(lián)(ITU)就正式批準(zhǔn)通過了HEVC/H.265標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)全稱為高效視頻編碼(High Efficiency Video Coding)，相較于之前的H.264標(biāo)準(zhǔn)有了相當(dāng)大的改善，中國(guó)華為公司擁有最多的核心專利，是該標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)者。

　　H.265旨在在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻，僅需原先的一半帶寬即可播放相同質(zhì)量的視頻。這也意味著，我們的智能手機(jī)、平板機(jī)等移動(dòng)設(shè)備將能夠直接在線播放1080p的全高清視頻。H.265標(biāo)準(zhǔn)也同時(shí)支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清視頻?？梢哉f，H.265標(biāo)準(zhǔn)讓網(wǎng)絡(luò)視頻跟上了顯示屏“高分辨率化”的腳步。

　　可能在幾個(gè)月內(nèi)，你就能看到支持H.265解碼的設(shè)備上市了(如智能手機(jī)、顯卡等)。H.264統(tǒng)治了過去的五年，而未來的五年甚至十年，H.265很可能將會(huì)成為主流。

　傳輸碼率

　　H.263可以2~4Mbps的傳輸速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)清晰度廣播級(jí)數(shù)字電視（符合CCIR601、CCIR656標(biāo)準(zhǔn)要求的720*576）；而H.264由于算法優(yōu)化，可以低于2Mbps的速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)清數(shù)字圖像傳送；H.265 High Profile 可實(shí)現(xiàn)低于1.5Mbps的傳輸帶寬下，實(shí)現(xiàn)1080p全高清視頻傳輸。

　　除了在編解碼效率上的提升外，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性方面H.265也有顯著提升，可很好運(yùn)行在Internet等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)條件下。

　性能提升

　　在運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方面，下一代算法將不再沿襲“宏塊”的畫面分割方法，而可能采用面向?qū)ο蟮姆椒?，直接辨別畫面中的運(yùn)動(dòng)主體。在變換方面，下一代算法可能不再沿襲基于傅立葉變換的算法族，有很多文章在討論，其中提請(qǐng)大家注意所謂的“超完備變換”，主要特點(diǎn)是：其MxN的變換矩陣中，M大于N，甚至遠(yuǎn)大于N，變換后得到的向量雖然比較大，但其中的0元素很多，經(jīng)過后面的熵編碼壓縮后，就能得到壓縮率較高的信息流。

　　關(guān)于運(yùn)算量，H.264的壓縮效率比MPEG-2提高了1倍多，其代價(jià)是計(jì)算量提高了至少4倍，導(dǎo)致高清編碼需要100GOPS的峰值計(jì)算能力。盡管如此，仍有可能使用2013年的主流IC工藝和普通設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)出達(dá)到上述能力的專用硬件電路，且使其批量生產(chǎn)成本維持在原有水平。5年（或許更久）以后，新的技術(shù)被接受為標(biāo)準(zhǔn)，其壓縮效率應(yīng)該比H.264至少提高1倍，估計(jì)對(duì)于計(jì)算量的需求仍然會(huì)增加4倍以上。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速進(jìn)步，相信屆時(shí)實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的專用芯片的批量生產(chǎn)成本應(yīng)該不會(huì)有顯著提高。因此，500GOPS，或許是新一代技術(shù)對(duì)于計(jì)算能力的需求上限。

　優(yōu)勢(shì)

　　H.265/HEVC的編碼架構(gòu)大致上和H.264/AVC的架構(gòu)相似，主要也包含，幀內(nèi)預(yù)測(cè)(intra prediction)、幀間預(yù)測(cè)(inter prediction)、轉(zhuǎn)換 (transform)、量化(quantization)、去區(qū)塊濾波器(deblocking filter)、熵編碼(entropy coding)等模塊，但在HEVC編碼架構(gòu)中，整體被分為了三個(gè)基本單位，分別是：編碼單位(coding unit,CU)、預(yù)測(cè)單位(predict unit,PU) 和轉(zhuǎn)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(gè)宏塊(macroblock/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(qū)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，編碼后的碼字較少，而細(xì)節(jié)多的地方(輪胎)劃分的宏塊就相應(yīng)的小和多一些，編碼后的碼字較多，這樣就相當(dāng)于對(duì)圖像進(jìn)行了有重點(diǎn)的編碼，從而降低了整體的碼率，編碼效率就相應(yīng)提高了。

　　同時(shí)，H.265的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式支持33種方向(H.264只支持8種)，并且提供了更好的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理和矢量預(yù)測(cè)方法。

　　反復(fù)的質(zhì)量比較測(cè)試已經(jīng)表明，在相同的圖象質(zhì)量下，相比于H.264，通過H.265編碼的視頻大小將減少大約39-44%。由于質(zhì)量控制的測(cè)定方法不同，這個(gè)數(shù)據(jù)也會(huì)有相應(yīng)的變化。

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

　　這些主觀視覺測(cè)試的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了許多學(xué)科，包括心理學(xué)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(jié)論，但這也是非常鼓舞人心的結(jié)果。

　　H.264與H.265編碼視頻的主觀視覺測(cè)試對(duì)比，我們可以看到后者的碼率比前者大大減少了

　　截止2013年的HEVC標(biāo)準(zhǔn)共有三種模式：Main、Main 10、Main Still Picture。Main模式支持8bit色深(即紅綠藍(lán)三色各有256個(gè)色度，共1670萬色)，Main 10模式支持10bit色深，將

　　會(huì)用于超高清電視(UHDTV)上。前兩者都將色度采樣格式限制為4:2:0。預(yù)期將在2014年對(duì)標(biāo)準(zhǔn)有所擴(kuò)展，將會(huì)支持4:2:2和4:4:4采樣格式(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(shí)上，H.265和H.264標(biāo)準(zhǔn)在各種功能上有一些重疊，例如，H.264標(biāo)準(zhǔn)中的Hi10P部分就支持10bit色深的視頻。另一個(gè)H.264的部分(Hi444PP)還可以支持4:4:4色度抽樣和14bit色深。在這種情況下，H.265和H.264的區(qū)別就體現(xiàn)在前者可以使用更少的帶寬來提供同樣的功能，其代價(jià)就是設(shè)備計(jì)算能力：H.265編碼的視頻需要更多的計(jì)算能力來解碼。

　　已經(jīng)有支持H.265解碼的芯片發(fā)布了——博通公司在2013年1月初的CES大展上發(fā)布了一款Brahma BCM7445芯片，它是一個(gè)采用28納米工藝的四核處理器，可以同時(shí)轉(zhuǎn)碼四個(gè)1080P視頻數(shù)據(jù)流，或解析分辨率為4096×2160的H.265編碼超高清視頻。

　　截止2013年，有線電視和數(shù)字電視廣播主要采用仍舊是MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。好消息是，H.265標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)最終可以說服廣播電視公司放棄垂垂老矣的MPEG-2，因?yàn)橥瑯拥膬?nèi)容，H.265可以減少70-80%的帶寬消耗。這就可以在現(xiàn)有帶寬條件下輕松支持全高清1080p廣播。但是另一方面，電視廣播公司又很少有想要?jiǎng)?chuàng)新的理由，因?yàn)榇蠖鄶?shù)有線電視公司在他們的目標(biāo)市場(chǎng)中面臨的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)在是有限。出于節(jié)省帶寬的目的，反而是衛(wèi)星電視公司可能將會(huì)率先采用H.265標(biāo)準(zhǔn)。

　　從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，H.265標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)成為超高清電視(UHDTV)的4K和8K分辨率的選擇，但這也會(huì)帶來其它問題，比如2013年還極少有原生4K分辨率的視頻內(nèi)容。H.265標(biāo)準(zhǔn)的完成意味著內(nèi)容擁有者在2013年已經(jīng)有了一個(gè)對(duì)應(yīng)的理論標(biāo)準(zhǔn)，但是他們?cè)?013年還沒有一個(gè)統(tǒng)一的方式來傳送內(nèi)容。

　　藍(lán)光光盤協(xié)會(huì)(The Blu-ray Disc Association)正在研究在藍(lán)光光盤標(biāo)準(zhǔn)中支持4K分辨率視頻的方法，但是這可沒那么簡(jiǎn)單。理論上H.264在擴(kuò)展后就可以擁有這個(gè)功能，但是到那時(shí)碼率問題又會(huì)浮出水面。一個(gè)H.264編碼的4K藍(lán)光電影需要的存儲(chǔ)空間遠(yuǎn)大于相同內(nèi)容的H.265版本，其大小可高達(dá)100G以上，而現(xiàn)有的播放器也不支持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(gè)妥善解決方案，可以將4K分辨率視頻加入已有的藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)中并且不破壞其兼容性。雖然更新到H.265標(biāo)準(zhǔn)并不需要對(duì)光盤制造工藝進(jìn)行改進(jìn)，但卻需要制造全新的播放器才能將新的藍(lán)光光盤播放出來，雖然截止2013年的有些播放器可以播放高密度光盤，但那也需要進(jìn)行設(shè)備檢查升級(jí)才行。

　　另一個(gè)大問題就是游戲主機(jī)對(duì)H.265標(biāo)準(zhǔn)的支持。索尼的PS2和PS3主機(jī)推動(dòng)了DVD和藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，而即將發(fā)布的PS4理論上很可能將支持4K分辨率的內(nèi)容，但4K分辨率的視頻該怎樣傳送，通過哪些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行支持？這仍然還在討論中。

　　目前看來，對(duì)于H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)，我們?nèi)孕璩种?jǐn)慎樂觀態(tài)度。但有一點(diǎn)是肯定的：H.265標(biāo)準(zhǔn)在同等的內(nèi)容質(zhì)量上會(huì)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(wǎng)絡(luò)播放將不在困難，但前提是索尼或者其它媒體巨頭能想出辦法來傳送這些內(nèi)容。同時(shí)，如果移動(dòng)設(shè)備要采用H.265標(biāo)準(zhǔn)，那么其在解碼視頻時(shí)對(duì)電量的高消耗也是各大廠商需要解決的問題。