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高效率视频编码

2018-08-20 16:41:31     所属分类:视频和电影技术

高效率视频编码High Efficiency Video Coding,简称HEVC),又称为H.265MPEG-H第2部分,是一种视频压缩标准,被视为是ITU-T H.264/MPEG-4 AVC标准的继任者。2004年开始由ISO/IEC Moving Picture Experts Group(MPEG)和ITU-T Video Coding Experts Group(VCEG)作为ISO/IEC 23008-2 MPEG-H Part 2或称作ITU-T H.265开始制定[1][2][3][4][5]。第一版的HEVC/H.265视频压缩标准在2013年4月13日被接受为国际电信联盟(ITU-T)的正式标准[1][2][6]。HEVC被认为不仅提升视频品质,同时也能达到H.264/MPEG-4 AVC两倍之压缩率(等同于同样画面品质下比特率减少到了50%),可支持4K分辨率甚至到超高清电视(UHDTV),最高分辨率可达到8192×4320(8K分辨率)。

数个基于HEVC延伸的编码标准正在进行中,包含range extensions(支持高级的视频格式)、可调式编码和3D视频编码标准。

目录

  • 1 历史
    • 1.1 标准制定
    • 1.2 规格书时程
  • 2 技术细节
    • 2.1 编码树单元(Coding Tree Block)
    • 2.2 帧内编码(Intra Coding)
    • 2.3 帧间编码(Inter Coding)
    • 2.4 转换编码(Transform Coding)
    • 2.5 环路滤波器(Loop Filtering)
      • 2.5.1 去区块滤波器(Deblocking Filter)
      • 2.5.2 取样自适应偏移(Sample Adaptive Offset)
    • 2.6 熵编码(Entropy Coding)
    • 2.7 平行化编码工具
      • 2.7.1 切片(Slice)
      • 2.7.2 方块(Tile)
      • 2.7.3 波前处理(Wavefront Processing)
  • 3 编码规范
    • 3.1 Profile
    • 3.2 层级与档次
  • 4 编码效率
  • 5 产品与实现
    • 5.1 2012
    • 5.2 2013
    • 5.3 2014
  • 6 参见
  • 7 参考资料
  • 8 外部链接

历史

标准制定

  • 2004年:Key Technical Areas(KTA)

在H.264/AVC标准制定完(2003年)的后一年,VCEG组织便开始研究更先进的视频压缩技术,期望能够发展下一代视频压缩标准,或期望能大量提升压缩率成为H.264/AVC的延伸版本[1][7]。2005年1月,VCEG开始将这些议题统整称为Key Technical Areas(KTA),并且开发了一个同名的软件编解码器KTA Software来评估被提案的新技术[8][9]。KTA software是基于H.264/AVC的标准参考软件Joint Model(JM)[8]上,加入新的编码技术并与JM的编码效率做比较。到了2007年,KTA Software的编码效率较JM提升了不少[10]

  • JCT-VC

为此目的MPEG与VCEG联合成立了一个Joint Collaborative Team on Video Coding(JCT-VC)作为共同开发HEVC的团队。[1][2]。并每四个月进行一次标准讨论与制定的会议。并发布了HEVC的标准参考软件HEVC Test Model(HM)[11]

规格书时程

HEVC标准(第一个版本)制定的时程如下:[1]

  • 2012年2月:Committee Draft(complete draft of standard)[12]
  • 2012年7月:Draft International Standard[13]
  • 2013年1月:Final Draft International Standard and ITU-T Consent[14][15][16][17]

技术细节

典型的Hybrid Video Coding视频编码器架构

HEVC与H.264/AVC和许多其他视频压缩编码一样,都是采用Hybrid Video Coding的架构(如右图),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[18]

编码树单元(Coding Tree Block)

编码树单元(Coding Tree Block, CTU)是HEVC的基本编码单位,有如H.264/AVC的Macroblock。HEVC支持8x8到64×64像素的CTU大小。编码树单元可向下分区编码单元(Coding Unit,CU)、预测单元(Prediction Unit,PU)及转换单元(Transform Unit,TU)。

帧内编码(Intra Coding)

HEVC帧内编码将预测的方向性增加到33种,并加入平面预测(Planar Prediction)产生平滑的取样面。

帧间编码(Inter Coding)

转换编码(Transform Coding)

环路滤波器(Loop Filtering)

HEVC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

去区块滤波器(Deblocking Filter)

H.265/HEVC的DBF使用H.264/MPEG-4 AVC类似的设计,更好的支持并发处理是类似的。在HEVC的DBF只适​​用于一个8×8个采样网格,而与H.264 / MPEG-4 AVC的DBF适用的一个4×4个采样网格不同。HEVC的DBF使用一个8×8个采样网格,因为没有导致明显的降解,并显著提高了并发处理,因为的DBF不再导致级联与其他操作的相互作用。另一个变化是HEVC只允许为0〜2的三个DBF的深度。HEVC的DBF也是的先做画面的垂直边缘的水平滤波之后再做对于水平边缘的垂直滤波,有利于平行处理(多线程)。

取样自适应偏移(Sample Adaptive Offset)

在DBF之后的使用SAO过滤器,并使用偏移以产生更好地重建原始信号。每个CTB的SAO滤波器可有两个模式:边缘偏移模式​​或带偏移模式。边缘偏移量模式中通过比较的取样的值,根据比较两个邻居,将样品分为五类之一:最小,两种边缘,最大值,或两者都不是,对于每个第一四类施加一个偏移量。能带偏移的模式可分类成32个频带,并选择四个连续频带发送偏移量。SAO滤波器设计来以提高图像质量,并减少振荡效应

熵编码(Entropy Coding)

使用了跟H.264/AVC High Profile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

Profile

层级与档次

HEVC定义了包含Main和High 2种“层级”(tiers)注:目前没有公定译名,以及13种“档次”(levels)注:目前没有公定译名[1][19]。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 tier是被设计给大部分的应用,而High tier是被设计给高要求的应用[1]。档次则是针对比特流设置了一组限制,与Profile相似[1][19]。当一个解码器匹配给定了的层级与档次,代表此解码器也被要求必须能解码用该层级/档次及较低层级/档次所编码出来的比特流[1][19]

编码效率

主观视频性能比较[20]
视频编码标准 较之H.264/MPEG-4 AVC HP减少码率的比例
480p 720p 1080p 4K UHD
HEVC 52% 56% 62% 64%

产品与实现

2012

  • 2月29日,在2012世界移动通信大会上,高通展示了一个运行在Android平板上的HEVC解码器,使用了Qualcomm Snapdragon S4双核心处理器运行在1.5GHz,将同一个视频以H.264/AVC和HEVC同时并发播放。在此展示中HEVC展现了较H.264/AVC几乎节省了50%的比特率。[20]
  • 8月22日,Ericsson发表了世界第一个HEVC编码器Ericsson SVP 5500,并预计在2012 IBC英语International Broadcasting Convention贸易展展出。Ericsson SVP 5500被设计来做到实时编码视频供移动设备使用。[21][22]
  • 8月22日,研究者们发布消息说他们项目扩展当前MPEG-DASH英语Dynamic Adaptive Streaming over HTTP标准,使其在2013年4月前支持HEVC。[23]
  • 9月2日,Vanguard Video(前身为Vanguard Software Solutions)[24],发表了一个实时HEVC软件编码器运行于1080p30(1920×1080, 30fps)在一个单一Intel Xeon处理器平台上。此编码器也在IBC 2012中展示[25][26]
  • 9月6日,Rovi Corporation英语Rovi Corporation表示他们会发表一个HEVC适用的MainConcept英语MainConcept SDK,时间将会在2013年初在HEVC标准被官方批准之后。HEVC MainConcept SDK包含了一个解码器、编码器及传输多任务器,可在Microsoft Windows、Mac OS、Linux、iOS及Android上运行[27]。HEVC MainConcept SDK的编码器在IBC 2012上做了展示[27][28]
  • 9月9日,Ateme在IBC 2012上展示了一个HEVC编码器,能够以60fps、平均15 Mbit/s的条件下编码3840×2160p分辨率的视频。ATEME项目在2013年10月正式发布此HEVC编码器。[29][30][31]

2013

  • 1月7日,ViXS Systems英语ViXS Systems说他们将会于2013国际消费电子展上,展示第一个能匹配HEVC Main 10 profile转码视频的硬件SoC。[32][33]
  • 1月7日,Rovi Corporation英语Rovi Corporation宣称在官方发表HEVC标准后,他们项目开始把对HEVC的支持加入他们的MainConcept SDK以及他们的产品DivX。[34][35]
  • 1月8日,博通发表了一个UHD解码芯片BCM7445,能够运行解码HEVC至最高4096x2160p分辨率于60 fps。BCM7445采用28奈米ARM架构,能达到21,000Dhrystone英语Dhrystone的每秒百万指令,预计在2014年中批量生产。[36][37][38][39]
  • 1月8日,Vanguard Video发表了V.265,一个专业的纯软件HEVC编码器,能达到实时的编码性能。[40]
  • 1月25日,NGCodec英语NGCodec发表免费可获取的合于HEVC规格测试视频。[41]
  • 2月4日,NTT DoCoMo说从3月将会开始授权他们的HEVC解码软件实现[42][43]。此解码软件能够在个人计算机上拨放4K UHDTV的视频于60 fps以及在智能手机上拨放1080p的视频,并预计在2013世界移动通信大会上展示[42][43]。在一个JCT-VC文件内,NTT DoCoMo展示了他们的HEVC软件解码器能够在2.7 GHz四核心Ivy Bridge CPU的平台上,以3个线程解码3840x2160于60 fps[44]
  • 2月11日,MIT的研究者们于2013国际固态电路研讨会(ISSCC)上,展示了世界第一个HEVC ASIC解码器[45]。他们的芯片能够实时解码3840x2160p 30fps的视频流,并消耗低于0.1瓦的电力[46]
  • 3月14日,Ittiam Systems英语Ittiam Systems发表了一个HEVC视频编码器及解码器及其软件授权给专家、企业与消费者数字多媒体市场。其中编码器是一个在Intel x86平台上的软件实现,能编码高解析(HD)放送品质的视频。而解码器软件能够在ARM Cortex™-A9英语ARM Cortex-A9 MPCore以及Cortex™-A15为基础的SoC上运行,允许大部分现存的消费性电子设备譬如智能手机、平板电脑、智能电视、机顶盒来拨放高解析的HEVC内容。Ittiam的HEVC解决方案发表在2013国际消费电子展、2013世界移动通信大会和2013 NAB英语NAB_show展览。[47] [48]
  • 4月3日,Ateme发表了第一个开放源代码实现的HEVC软件播放器,基于OpenHEVC解码器和GPAC英语GPAC Project on Advanced Content视频拨放器(两者都基于LGPL授权)[49][50]。OpenHEVC解码器支持HEVC Main profile,能够用宏内核的CPU来解码1080p 30fps的视频[49][50]。而一个支持HEVC的实况转码器搭配GPAC视频拨放器于2013年4月的NAB英语NAB_show在ATEME的摊位上展示[49][50]
  • 4月19日,SES发表第一个使用HEVC标准的UHD视频传输。此传输拥有3840x2160的分辨率于20 Mbit/s下。SES使用了Harmonic Inc.英语Harmonic Inc.的ProMedia Xpress HEVC编码器以及博通的BCM7445 HEVC解码器。[51][52][53]
  • 5月9日,日本放送协会和三菱电机发表消息说他们正共同开发第一个专门为8K UHD TV(也可称为Super Hi-Vision, SHV)的HEVC编码器,将支持Main 10 profile达到Level 6.1,允许以60fps的速度编码10-bit分辨率7680x4320的视频。此HEVC编码器有17个3G-SDI英语3G-SDI输入并使用了17个主板做平行处理,每一块主板都会被分配到7680x256画面中的其中一行像素点同时做运算,来达到整个视频的实时编码[54][55][56][57]。此HEVC编码器兼容于HEVC第四版的草稿并且提供最大比特率340 Mbit/s[58],并被展示在2013年5月30至6月2日的NHK放送技术研究所英语NHK Science & Technology Research Laboratories Open House 2013[54][56][59]。在此展览中此HEVC编码器在85 Mbit/s的比特率下提供了350:1的压缩比[60][61]
  • 5月15日,DivX发布了一个DivX HEVC视频profile草案,基于HEVC Main profile及Main tier并加上特别为了DivX HEVC视频profile所设的限制[62][63]。DivX HEVC 4K、1080p、720p视频profile的草案目前只定义了视频部分,DivX也项目在未来定义profile的其他部分[62][63]。此DivX HEVC 4K视频profile允许最大比特率达到HEVC Level 5.1(40 Mbit/s)但是最大每秒取样数则被限制在HEVC Level 5 (4096x2160 at 30 fps)[64]
  • 5月31日,法国电信发表第一个公开展示HEVC实时端对端(end-to-end英语End-to-end principle)的发送链(delivery chain)。此展示同时使用IPTV和DVB-T2的HD品质广播了6月1日至6月9日的2013 French Open。[65][66]
  • 6月4日,Rovi Corporation英语Rovi Corporation发布MainConcept HEVC SDK 1.0[67],支持Smart Adaptive Bitrate Encoding Technology(SABET)能允许在降低了的计算耗损下,同时编码至多10个视频流输出[67]。SDK 1.0将有Windows版本,而SDK 1.0.1将在2013年7月发布,并增加Linux和Mac OS X的支持[67][68]。SDK 1.0支持了Main profile而SDK 2.0将会支持Main 10 profile并将在2013年Q4发布[68][69]
  • 6月10日,Vanguard Video发表消息说他们的V.265专业HEVC编码器加入了Main 10 profile的支持,成为第一个支持Main 10 profile的实时HEVC软件编码器。[70]
  • 6月20日,Imagination Technologies发表他们的PowerVR Series5 D5500 HEVC解码器,支持10-bits取样视频的解码。[71]
  • 7月19日,Allegro DVT说他们改进了该公司的HEVC解码器IP,增加Main 10 profile的支持。[72][73]
  • 7月23日,MulticoreWare发布alpha版本的x265源代码。[74][75]
  • 8月8日,日本电信电话发布了他们的HEVC-1000 SDK软件编码器,能支持Main 10 profile、分辨率最高7680x4320以及祯率最高到120 fps。[76]
  • 8月21日,Microsoft发布了一个用于HEVC的DXVA(DirectX Video Acceleration)规范,支持Main、Main 10及Main Still Picture profile。DXVA 2.0激活后可进行HEVC解码的硬件加速DXVA 2.0,并且兼容的解码器可以使用DXVA 2.0进行以下操作:比特流解析、去区块、反量化缩放、反转换以及动作补偿。[77]
  • 9月4日,Ittiam Systems英语Ittiam Systems在2013 IBC上展示了实时1080p HEVC编码和4K HEVC解码。Ittiam的软件HEVC编码器在Intel x86平台支持了UHD分辨率编码以及实时进行广播档次的HD 1080p编码;其软件HEVC解码器则是能在Intel x86和ARM Cortex™平台上运行4K/UHD的实时解码。[78][79]
  • 9月5日,DivX在当天发布的DivX 10.0中提供了DivX HEVC Plug-in,激活后即可播放或将其他格式视频转换为HEVC视频。DivX成为第一家提供免费的视频播放器和视频转换器的软件厂商。[80]
  • 9月6日,Thomson Video Networks英语Thomson Video Networks展示了一个试验式的UHD传输用的HEVC编解码器,并且被人造卫星传输营运商HISPASAT英语Hispasat所采用。[81]
  • 9月11日,ViXS Systems英语ViXS Systems发表了XCode 6400 SoC,在HEVC Main 10 profile下支持4K分辨率于60 fps,以及Rec. 2020英语Rec. 2020色彩空间。[82]
  • 9月11日,NGCodec Inc.发表了免费可获取的4K HEVC测试视频。[83]
  • 9月12-17日,IBC英语International Broadcasting Convention贸易展在阿姆斯特丹举办,HEVC是当中的主角之一,许多家公司都展出了HEVC技术的产品,包含Allegro DVT[84][85]、Ateme[84]、博通[86]Elemental Technologies英语Elemental Technologies[84]、Envivio[84]、Ericsson[84]Fraunhofer HHI英语Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik[84][87]、Fujitsu[88]Haivision英语Haivision[84]Harmonic Inc.英语Harmonic Inc.[84][89]Ittiam英语Ittiam Systems[90]Kontron英语Kontron[91]、Media Excel[92]、NGCodec Inc.[83]NTT-AT日语NTTアドバンステクノロジ[93]、恩智浦半导体[89]Pace plc英语Pace plc[94]、QuickFire Networks[92]Rovi/Mainconcept英语Rovi Cooperation[84][95]SES S.A.英语SES S.A.[96]、Squid Systems[89]、意法半导体[95]Tata Elxsi英语Tata Elxsi[97]Technicolor英语Technicolor SA[98]Telestream英语Telestream[84]Thomson Video Networks英语Thomson Video Networks[84]、Vanguard Video[84][99]、VITEC以及VisualOn英语VisualOn[100]
  • 10月16日,OpenHEVC解码器被加入到FFmpeg中。[101]
  • 10月23日,Ittiam Systems英语Ittiam Systems在2013 ARM TechCon上,展示了为ARM Mali™ GPU运算以及ARM® Cortex®-A系列处理器最优化的低功耗HEVC解码器。Ittiam的HEVC解码器被设计来充分利用行动SoC的运算能力,它可以很好地控制GPU的计算能力以及能源效率来减少电量消耗。[102] [103]
  • 10月29日,Elemental Technologies英语Elemental Technologies发表实时4K HEVC视频处理的支持,是为业界第一的4K HEVC视频实时传输[104]。Elemental提供了2013年10月27日的大阪马拉松日语大阪マラソン实况视频流,采用了日本电信营运商K-Opticom日语ケイ・オプティコム设计的工作流,观众可在大阪国际展览中心日语大阪国際見本市会場(Intex Osaka)观看此竞赛的4K HEVC实况转播。
  • 11月14日,DivX developers提供了使用Intel i7 3.5 GHz四核心八线程CPU的HEVC解码表现。DivX 10.1 Beta版的解码器能分别以210.9 fps、101.5 fps、29.6 fps的速度来解码720p、1080p、4K的视频。[105]
  • 12月18日,ViXS Systems英语ViXS Systems的XCode 6400 SoC,第一个支持HEVC Main 10 profile的SoC正式出货。[106]

2014

  • 1月15日,oViCs发表了ViC-1 HEVC解码器,支持了Main 10 profile并且能以120fps速度编码4K视频。[107]
  • 4月5日,在美国广播电视展上,eBrisk视频公司和Altera公司演示了支持FPGA(现场可编程门阵列)加速的HEVC Main10编码器实时编码所压制的4K60帧视频 / 10-bit视频,采用了双至强E5-2697-V2平台[108][109]
  • 4月7日,Vantrix英语Vantrix以BSD授权发布了f265 HEVC编码器的源代码。[110]
  • 8月13日,Ittiam Systems英语Ittiam Systems宣布支持第三代H.265/HEVC 4:2:2 12-bit编码。[111]
  • 9月5日,蓝光光盘协会宣布,4K蓝光光盘的标准将支持60 fps、4K的HEVC视频,且支持Rec. 2020英语Rec. 2020的色域、高动态范围成像和10-bit的色深。[112][113] 4K蓝光光盘将具有至少50Mbit/s的码率,单张光盘的容量最高可达66GB/100GB[112][113] 4K蓝光光盘将在2015年年初获得相应许可,配套的播放器有望在此后面世[112][113]

参见

  • 视频压缩
  • 3D-HEVC
  • Screen Content Coding
  • 平均主观意见分英语Mean opinion score
  • 峰值信噪比
  • 视频压缩略图像类型
  • 图像组群
  • 视频质量

参考资料

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外部链接

  • JCT-VC Document Management System HEVC制定会议提案文件之公开网站
  • Draft meeting report for 31st VCEG Meeting(Marrakech, MA, 15–16 January 2007)
  • Video Coding Experts Group(VCEG)
  • H265.net

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