H.265视频编码方式

编码历程

关于H.265视频编码历程,这里从视频编码的两大机构开始说起。
第一个组织是MPEG,英文全称是Moving Picture Experts Group,翻译成中文就是“动态图像专家组”。 这个组织成立于1988年,致力开发视频、音频的压缩编码技术。至今已经制定了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3、MPEG-4、MPEG-7等多个标准,最新的MPEG-21正在制定中。
制定的标准需要被所有厂商机构接受认可,需要和官方合作,所以MPEG的正是名称是ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 11 – Coding of moving pictures and audio (ISO/IEC Joint Technical Committee 1, Subcommittee 29, Working Group 11),简写就是ISO/IEC Moving Picture Experts Group(MPEG),其中ISO是国际标准化组织,IEC是国际电工委员会。


第二个进行视频编码研究的机构是ITU-T,即国际电信联盟下属的电信标准化部门。国际电信联盟ITU有个特点好像什么标准都可以制定,而且权威性大,很多国际标准都需要它的批准。 ITU-T一般用一个大写字母来对标准,建议进行分类,称为系列。比如H系列,为视频音频以及多媒体系统复合方法。下面有H.261,H.262,H.263,H.264,H.265等多系列号。


ISO/IEC MPEG和ITU-T合作,已经推出的共同编码标准有H.262/MPEG-2,H.264/MPEG-4 AVC以及H.265/MPEG-H。
其中H.265又称为高效率视频编码(High Efficiency Video Coding,简称HEVC),是MPEG-H第2部分,被视为是ITU-T H.264/MPEG-4 AVC标准的继任者。
H.265编码由ISO/IEC MPEG和ITU-T于2004年开始制定。第一版的HEVC/H.265视频压缩标准在2013年4月13日被接受为ITU-T的正式标准。

技术细节

H.265与H.264视频编码一样,都是采用Hybrid Video Coding的架构,但在各部分加入了一些新技术或者提升了原本编码工具的效率。

编码树单元

H.265支持8×8到64×64像素的编码树单元。编码树单元可向下分割编码单元、预测单元及转换单元。
一般来讲,更大的转换单元可以更好地编码静态信号,而更小的转换单元可以更好地编码更小的“脉冲”信号。这样数据量相对更小。

帧内编码

H.265一个编码单元可以使用八种预测模式中的一种进行预测,有35个不同的帧内预测模式(H.264支持9个)。

帧间编码

针对运动向量预测,H.265要比H.264复杂。H.265有两个参考表:L0和L1,每一个都拥有16个参照项。

转换编码

在编码的过程,预测单元是进行预测的基本单元,变换单元是进行变换和量化的基本单元。这三个单元的分离,使得变换、预测和编码各个处理环节更加灵活。

环路滤波器

H.265有两个环路滤波器,解块滤波器(DBF)与样本自适应偏移量(SAO)滤波器。
与H.264在4×4块上实现去块化所不同的是,H.265的只能在8×8网格上实现去块。这就能允许去块的并行处理(没有滤波器重叠)。首先去块的是画面里的所有垂直边缘,紧接着是所有水平边缘。与H.264采用一样的滤波器。

熵编码

使用了跟H.264中一样的CABAC(前文参考之适应性二元算术编码)算法来做熵编码,抛弃了CAVLC。

平行化编码工具

  • 切片(Slice)
  • 方块(Tile)
  • 波前处理(Wavefront Processing)

编码规范

H.265定义了包含Main和High 2种“层级”(Profile),以及13种“等级”(levels)。
层级是被设计来面对不同的应用,对其最大比特率做限制。其中Main是被设计给大部分的应用,而High是被设计给高要求的应用。等级则是针对比特流设置了一组限制,与Profile相似。当一个解码器符合给定了的层级与等级,代表此解码器也被要求必须能解码用该层级/等级及较低层级/等级所编码出来的比特流。

编码效率

分辨率越高,编码效率就越高。
下表是高通通过实验得出的与H.264相对,H.265编码在不同分辨率下的减少码率的比例:

分辨率480P720P1080P4K
H.265-52%-56%-62%-64%

专利问题

任何使用H.265编码技术的设备生产厂家或者H.265内容提供商均需要缴纳专利授权费。
H.265目前有4个专利收费组织,3大专利池外加Technicolor公司。这3大专利池分别是HEVC Advance,Velos Media和MPEG LA。

行业应用

安防行业里,H.265编码已成主流。网络摄像机,NVR,DVR均已大规模采用H.265编码压缩方式,旧的H.264编码的产品已逐渐淘汰。华为海思有提供很多型号的支持H.265编码的用于网络摄像机的DSP和用于DVR,NVR的SOC。
上面提到的H.265专利,华为拥有最多的核心专利。在安防领域,其关于H.265编码的核心技术是SmartP和AVBR技术。SmartP即智能的P帧(前向预测帧)预测编码,AVBR技术即先进的动态比特率控制技术。
很多安防厂家发展引申了H.265编码技术,提出了诸如Smart H.265,h.265+,H.265++,H.265x,super H.265等等,其核心还是离不开H.265编码技术。
一个比较有意思的现象是虽然安防行业里早已大规模使用H.265编码技术了,但是在传统的互联网视频领域使用H.265的比率还比较低。一方面可能是因为安防行业相对封闭,产业链比较单一,不像互联网视频领域那么开放,牵一发而动全身;另一方面可能是,互联网视频领域可选择的比较有竞争性的编码方式还有很多。

其他编码

  • H.266
  • AV1
  • VP9

参考资料:

  1. ITU官方H.265资料及更新:H.265 : High efficiency video coding
  2. 维基百科:MPEG
  3. MPEG官网
  4. ITU-T
  5. 维基百科:高效率视频编码
  6. H.265(HEVC)深度解析
  7. Qualcomm shows horsepower of next-gen H.265 video
  8. MPEG LA
  9. 知乎:HEVC/H.265基本专利持有者
  10. HEVC Advance 专利费 公平及合理性的说明
  11. HiSilicon CPSE2017 | Upgraded H.265 Encoding
  12. 1080P video is now available under 500kbps through HiSilicon’s latest technology of AVBR
  13. HEVC/H.265什么时候能普及开呢?
2 回复

引用通告 & 通告

  1. […] 这里重点介绍下一些常见的音频编码格式,特别是安防监控系统里经常用到的。音频一般是伴随着视频一起存在的,所以同视频编码,音频编码主要也是由这两个机构来指定标准的(参见:H.265视频编码技术 一文。),一个是ITU-T,另一个是ISO/IEC MPEG。ITU-T指定的音频编码主要是G.7xx系列,ISO/IEC MPEG是MPEG-1,-2,-4系列。 […]

  2. […] MPEG或者ITU-T来发布,诚如我在 H.265视频编码技术 一文中介绍的那样。这次H.266视频编码标准怎么由Fraunhofer […]

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谈笑有鸿儒,
往来无白丁。

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