H.265引領視頻新時代

高丹丹++王成

摘 要：隨著視頻服務的多樣性以及高清視頻的廣泛流行，當人們對于高清視頻的壓縮效率提出更高要求時，在視頻編碼領域，統治了10年的H.264的霸主地位遭到動搖。為了解決視頻分辨率和視頻并行處理能力，制定了新的視頻標準H.265，提高了高清視頻的壓縮率以及魯棒性和錯誤恢復能力，減少實時時延和信道獲取時間以及隨機接入延時。

關鍵詞：H.264 H.265 AVC HEVC 視頻編碼 ITU-T

中圖分類號：F626 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0231-01

H.264（AVC）是現今流行的編碼標準，1999-2003年，H.264處于發展初期；2003-2009年，H.264處于發展黃金期，被廣泛地應用到許多重要的視頻領域。由于當時盛行的H.262/MPEG-2并不具備數字視頻處理能力，所以H.264在數字視頻方面具備了突出的優勢，得到了廣泛的應用，包括高清衛視廣播、固定網絡和移動網絡視頻、視頻會議等。

H.264發展的黃金10年間，隨著高清視頻的廣泛流行以及人們對于高清視頻的壓縮效率的高要求，視頻應用開始呈現出以下的發展趨勢。

（1）高清晰度：從720p向1080p全面升級，甚至出現了4K×2K、8K×4K的數字視頻格式。

（2）高壓縮率：隨著移動業務的發展，解決傳輸帶寬的制約，高壓縮率將受到更多的青睞。

因此，H.264存在著諸多局限性，由于H.264采用了固定的宏塊，從而導致宏塊個數爆發式增長，編碼效率低下；隨著分辨率的增加，導致出現大量冗余；核心算法并行效率較低，未能得到較高的壓縮率。

為了解決上述問題，制定了新的視頻標準——H.265（HEVC），由ITU-T VCEG所制定，繼承了H.264存在的優勢并且著重解決了兩方面的問題：增加視頻分辨率和增加視頻并行處理能力。相比于H.264，H.265提高了壓縮率、魯棒性和錯誤恢復能力，減少實時時延、信道獲取時間和隨機接入延時。

1 視頻壓縮標準H.265（HEVC）特點介紹

（1）H.265繼承了H.264高層次語法結構。

（2）H.265相比于H.264的突出特點：

①采用了編碼樹單元CTUs、編碼樹塊CTBs、編碼單元CUs和編碼塊CBs的編碼結構。

一個亮度CB和兩個色度CBs配合相應的句法構成了一個編碼單元CU，一個編碼樹單元CTU至少包含一個CU，每個CU被相關地劃分為預測單元PUs和變換單元TUs。CU、PU、TU的分離，使得編碼、預測、變換各個處理環節更加靈活，劃分更符合視頻圖像的紋理特征，利于各個單元更優化的完成各自的功能。

②靈活的宏塊結構：采用更加靈活的宏塊結構，編碼單位選擇范圍從8×8到64×64。對于幀間編碼，變換塊的大小根據運動補償塊大小做自適應調整；對于幀內編碼，變換塊大小根據幀內預測殘差進行自適應調整。比如公交車輪胎車門附近的視頻幀，信息量較少的區域（顏色變化不明顯）劃分較大的宏塊，編碼所需碼字較少，而細節較多的（輪胎）地方劃分的宏塊則是小而多，所需碼字也較多，這種有重點的編碼方式大大降低了整體碼率，從而提高了編碼效率。

③自適應采樣偏移（Sample Adaptive Offset）：在去塊濾波器之后引入一個非線性幅度映射，包含在圖像間預測循環中。目的是通過采用一些額外參數所描述的查找表，來重構原始信號的振幅；通過對每一類圖像像素增減一個偏移，減少失真，降低碼流，來提高壓縮率。

④并行解碼語法和切片修正結構：為了提升并行處理能力和信息分包中切片的錯誤修正，引入了三個重要的優化思路—Tiles、WPP、Entropy slice。

Tiles：圖像中劃分出的矩形塊稱作Tile，每一個Tile包含整數個LCU（Largest Coding Unit），是圖像中公用共享信息頭的獨立解碼區域，以便提升并行處理的能力，使得Tile之間互相獨立，實現并行處理。

WPP（Wavefront Parallel Processing）：當WPP被激活后，切片被分割成許多行CTU，第一行按照一般的方式處理，當第一行的前兩個CTU被處理完之后，即可處理第二行、第三行等等，以此類推。因此，只需上一行的CTU編解碼完畢即可進行當前行編碼，提高編解碼器并行處理能力。

相關片段（Dependent slice segment）：相關片段允許與波前項點或tile相關聯的數據在分隔的NAL單元中處理相比于在一個切片中進行統一處理，該系統具備更低的延遲。相關切片適用于低時延編碼。

2 H.265技術展望

隨著H.265的發展，一些主要的編碼設備商開始投入到H.265的研究中。華為是ITU-T視訊標準的主要報告人和編輯者，在2013年度MVS（全球移動通信大會）上，華為展示了業界第一套基于LTE承載的流媒體業務，通過新一代的視頻壓縮技術H.265和DASH流媒體技術結合，消費者可以通過無線網絡體驗到流暢的在線高清視頻服務。

隨著芯片處理技術的成熟，算法復雜性對于H.265的制約將變得越來越小，H.265編碼標準解決了有限帶寬資源的制約，使H.265在基于IP進行流媒體服務領域的應用奠定了良好的基礎。

2013年3月30日，迅雷看看獨家首發了H.265升級版客戶端，用戶只需升級到最新版本即可體驗H.265支持下更流暢更高請的畫面效果。繼迅雷看看之后，PPStream的平臺上也開始引入了H.265的高清視頻。據市場研究機構MeFeedia公布的數據顯示，自從iPad推出之后，發行的H.264標準視頻比例在不到三年時間內就從10%以下攀升至84%。因此，我們有理由相信，H.265將會引領下一代視頻技術的潮流。

參考文獻

[1] 劉國梁.從H.264向H.265的數字視頻壓縮技術升級[J].鐵路通信信號工程技術（RSCE），2011，8（3）.

[2] 陳清.H.265標準現狀和發展應用趨勢[J].中國多媒體通信，2008（10）：12-15.

[3] 李軍華，黃浦林.解讀下一代視頻壓縮標準HEVC（H.265）.華為企業業務BG U&C產品線智能真品部.

[4] 2012_12_IEEE-HEVC-Overview，Gary J. Sullivan、Jens-Rainer Ohm、Thomas Wiegand、Woo-Jin Han.endprint