屈竹杰

帶寬危機(jī)，H.265救駕

數(shù)字視頻的超高清潮流奔騰向前，幀率從30fps向60fps、120fps甚至240fps進(jìn)發(fā)，與此同時(shí)，物理媒介日薄西山，內(nèi)容正通過有形無形的網(wǎng)絡(luò)在世界各個(gè)角落的終端設(shè)備上傳遞。高度密集的數(shù)據(jù)給帶寬和存儲(chǔ)帶來巨大挑戰(zhàn)，當(dāng)前主流的H.264開始不敷應(yīng)用，而新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.265似乎成為了數(shù)字4K時(shí)代的“救世主”。

H.265又稱為HEVC（全稱High Efficiency Video Coding，高效率視頻編碼，本文統(tǒng)稱為H.265），是ITU-T H.264/MPEG-4 AVC標(biāo)準(zhǔn)的繼任者。2004年由ISO/IEC Moving Picture Experts Group（MPEG）和ITU-T Video Coding Experts Group（VCEG）作為ISO/IEC 23008-2 MPEG-H Part 2或稱作ITU-T H.265開始制定。第一版的HEVC/H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)在2013年4月13日被接受為國際電信聯(lián)盟（ITU-T）的正式標(biāo)準(zhǔn)。

理論上H.265比H.264效率提高30-50%（尤其是在更高的分辨率情形下），但真的只是這么簡(jiǎn)單嗎？

H.265的改變

H.265重新利用了H.264中定義的很多概念。兩者都是基于塊的視頻編碼技術(shù)，所以它們有著相同的根源和相近的編碼方式，包括：

1、以宏塊來劃分圖片，并最終以塊來細(xì)分。

2、使用幀內(nèi)壓縮技術(shù)減少空間冗余。

3、使用幀內(nèi)壓縮技術(shù)減少時(shí)間冗余（運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償）。

4、使用轉(zhuǎn)換和量化來進(jìn)行殘留數(shù)據(jù)壓縮。

5、使用熵編碼減少殘留和運(yùn)動(dòng)矢量傳輸和信號(hào)發(fā)送中的最后冗余。

事實(shí)上，視頻編解碼從MPEG-1誕生至今都沒有根本性改進(jìn)，H.265也只是H.264在一些關(guān)鍵性能上的更強(qiáng)進(jìn)化以及簡(jiǎn)單化。

那么問題來了，H.265到底強(qiáng)在哪里？

和H.264一樣，H.265也可以根據(jù)帶寬需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。但你是想在普通互聯(lián)網(wǎng)上傳輸4K內(nèi)容，還是要實(shí)現(xiàn)最好的圖像質(zhì)量，就要厘清“更多的壓縮”和“更好的壓縮”這兩個(gè)概念。如果只是更多的壓縮，4K和超高清不一定要保證比今天的1080p或HD做到更好的圖片質(zhì)量。根據(jù)壓縮數(shù)量的多少，流媒體4K有可能看起來比現(xiàn)在的1080p藍(lán)光更糟糕，因?yàn)?080p藍(lán)光相比在線流媒體會(huì)有更多的帶寬留給視頻。更好的壓縮則意味著更聰明的壓縮，面對(duì)同樣的原始素材，更好的壓縮會(huì)以更好的方式，在不犧牲質(zhì)量的情況下令數(shù)據(jù)量減少。更多的壓縮很容易，而更好的壓縮需要更多的思考和更好的技術(shù)，通過更智能的算法來處理圖像，在維持質(zhì)量的同時(shí)保持更低的比特率，這正是H.265所要做的。

如何實(shí)現(xiàn)更好的壓縮，舉例來講，我們通常會(huì)發(fā)現(xiàn)在很多的圖像素材里，如視像會(huì)議或者電影的很多場(chǎng)景中，每一幀上的大部分內(nèi)容并沒有改變太多，視像會(huì)議中一般只有講話者的頭在動(dòng)（甚至只有嘴唇在動(dòng)），而背景一般是不動(dòng)的，在這種情況下，我們的做法不是對(duì)每一幀的每一個(gè)像素編碼，而是對(duì)最初的幀編碼，然后僅對(duì)發(fā)生改變的部分進(jìn)行編碼。

H.265正從以下幾個(gè)方面向著“更好的壓縮”邁進(jìn)。

圖像分區(qū)

H.265將圖像劃分為“編碼樹單元（coding tree Unit，CTU）”，而不是像H.264那樣的16×16的宏塊。根據(jù)不同的編碼設(shè)置，編碼樹單元的尺寸可以被設(shè)置為64×64或有限的32×32或16×16。很多研究都顯示更大的編碼樹單元可以提供更高的壓縮效率（同樣也需要更高的編碼速度）。每個(gè)編碼樹單元可以被遞歸分割，利用四叉樹結(jié)構(gòu)，分割為32×32、16×16、8×8的子區(qū)域，下圖就是一個(gè)64×64編碼樹單元的分區(qū)示例。每個(gè)圖像進(jìn)一步被區(qū)分為特殊的樹編碼塊組，稱之為切割（Slices）和拼貼（Tiles）。編碼樹單元是H.264的基本編碼單位，如同H.264的宏塊。編碼樹單元可向下分為編碼單元（Coding Unit，CU）、預(yù)測(cè)單元（Prediction Unit，PU）及轉(zhuǎn)換單元（Transform Unit，TU）。

每個(gè)編碼樹單元內(nèi)包含1個(gè)亮度與2個(gè)色度編碼樹塊，以及記錄額外信息的語法元素。一般來說影片大多是以YUV 4：2：0色彩采樣進(jìn)行壓縮，因此以16×16的編碼樹單元為例，其中會(huì)包含1個(gè)16×16的亮度編碼樹區(qū)塊，以及2個(gè)8×8的色度編碼樹區(qū)塊。

轉(zhuǎn)換尺寸

每個(gè)編碼單元可以四叉樹的方式遞歸分割為轉(zhuǎn)換單元。與H.264主要以4×4轉(zhuǎn)換，偶爾以8×8轉(zhuǎn)換所不同的是，H.265有若干種轉(zhuǎn)換尺寸：32×32、16×16、8×8和4×4。從數(shù)學(xué)的角度來看，更大的轉(zhuǎn)換單元可以更好地編碼靜態(tài)信號(hào)，而更小的轉(zhuǎn)換單元可以更好地編碼更小的“脈沖”信號(hào)。

預(yù)測(cè)單元

在轉(zhuǎn)換和量化之前，首先是預(yù)測(cè)階段（包括幀內(nèi)預(yù)測(cè)和幀間預(yù)測(cè)）。

一個(gè)編碼單元可以使用以下八種預(yù)測(cè)模式中的一種進(jìn)行預(yù)測(cè)。

即使一個(gè)編碼單元包含一個(gè)、兩個(gè)或四個(gè)預(yù)測(cè)單元，也可以使用專門的幀間或幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，此外內(nèi)編碼的編碼單元只能使用2N×2N或N×N的平方劃分。間編碼的編碼單元可以使用平方和非對(duì)稱的方式劃分。

幀內(nèi)預(yù)測(cè)：H.265有35個(gè)不同的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式（包括9個(gè)AVC里已有的），包括DC模式、平面（Planar）模式和33個(gè)方向的模式。幀內(nèi)預(yù)測(cè)可以遵循轉(zhuǎn)換單元的分割樹，所以預(yù)測(cè)模式可以應(yīng)用于4×4、8×8、16×16和32×32的轉(zhuǎn)換單元。

幀間預(yù)測(cè)：針對(duì)運(yùn)動(dòng)向量預(yù)測(cè)，H.265有兩個(gè)參考表：L0和L1。每一個(gè)都擁有16個(gè)參照項(xiàng)，但是唯一圖片的最大數(shù)量是8。H.265運(yùn)動(dòng)估計(jì)要比H.264更加復(fù)雜。它使用列表索引，有兩個(gè)主要的預(yù)測(cè)模式：合并和高級(jí)運(yùn)動(dòng)向量。

在編碼的過程，預(yù)測(cè)單元是進(jìn)行預(yù)測(cè)的基本單元，轉(zhuǎn)換單元是進(jìn)行轉(zhuǎn)換和量化的基本單元。這三個(gè)單元的分離，使得轉(zhuǎn)換、預(yù)測(cè)和編碼各個(gè)處理環(huán)節(jié)更加靈活。

去塊化

與H.264在4×4塊上實(shí)現(xiàn)去塊化所不同的是，HEVC的只能在8×8網(wǎng)格上實(shí)現(xiàn)去塊。這就能允許去塊的并行處理（沒有濾波器重疊）。首先去塊的是畫面里的所有垂直邊緣，緊接著是所有水平邊緣。與H.264采用一樣的濾波器。采樣點(diǎn)自適應(yīng)偏移

去塊之后還有第二個(gè)可選的濾波器，叫做采樣點(diǎn)自適應(yīng)偏移。它類似于去塊濾波器，應(yīng)用在預(yù)測(cè)循環(huán)里，結(jié)果存儲(chǔ)在參考幀列表里。這個(gè)濾波器的目標(biāo)是修訂錯(cuò)誤預(yù)測(cè)、編碼漂移等，并應(yīng)用自適應(yīng)進(jìn)行偏移。

并行處理

由于HEVC的解碼要比AVC復(fù)雜很多，所以一些技術(shù)已經(jīng)允許實(shí)現(xiàn)并行解碼。最重要的為拼貼和波前。圖像被分成樹編碼單元的矩形網(wǎng)格（Tiles）。當(dāng)前芯片架構(gòu)已經(jīng)從單核性能逐漸往多核并行方向發(fā)展，因此為了適應(yīng)并行化程度非常高的芯片實(shí)現(xiàn)，H.265引入了很多并行運(yùn)算的優(yōu)化思路。

總而言之，HEVC將傳統(tǒng)基于塊的視頻編碼模式推向更高的效率水平，總結(jié)一下就是：

-可變量的尺寸轉(zhuǎn)換（從4×4到32×32）。

-四叉樹結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)區(qū)域（從64×64到4×4）。

-基于候選清單的運(yùn)動(dòng)向量預(yù)測(cè)。

-多種幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式。

-更精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償濾波器。

-優(yōu)化的去塊、采樣點(diǎn)自適應(yīng)偏移濾波器等。