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H.265 开创视频压缩新阶段

来源:未知作者:木牛发布时间:2018-02-23 20:31

 

   H.265标准自2013年被确认,到现在各大企业发布H.265产品,其发展趋势异常火热。究其原因,在于“高清”给现有视频压缩标准带来了越来越大的码流挑战,虽然很多安防厂家都祭出杀招,但4K高清的来袭汹汹,即使现有标准再怎么改头换面也显得愈发无能为力,此时,H.265编解码的发展变得越发重要,相信在不远的将来,支持H.265的产品将会大面积地推出,引领安防高清监控。

一、“最强”视频压缩标准

H.265标准全称为高效视频编码(High Efficiency Video Coding),也即HEVC,相较于之前的H.264标准有了相当大的改善。

H.265又何以让如此多的行业都青睐有加?故事开始还是需要从H.264说起,H.264也称作MPEG-4 AVC(Advanced Video Codec,高级视频编码),因其可以得到比其他编码标准更高的视频质量和更低的码率,而得到了人们的认可,被广泛应用于网络流媒体数据、各种高清晰度电视广播以及卫星电视广播等领域。从编码框架上来说,H.265仍然沿用了H.264的混合编码框架,主要包含:帧内预测(intra prediction)、帧间预测(inter prediction)、转换 (transform)、量化 (quantization)、去区块滤波器(deblocking filter)、熵编码(entropy coding)等模块。

如今更高清发展愈演强烈,H.264也遇到了瓶颈。以编码单位来说,H.264中每个宏块(marcoblock,MB)大小都是固定的16x16像素。然而,在更高分辨率下,单个宏块所表示的图像内容信息大大减少,H.264所采用的宏块经过整数变换后,低频系数相似程度也大大提高,出现大量冗余,导致H.264编码对高清视频的压缩效率明显降低;其次,H.264算法宏块个数的爆发式增长,会导致每个编码宏块的预测模式、运动矢量、参考帧索引和量化级等宏块级参数信息占用更多码流资源,在有限带宽中,分配给真正描述图像内容的残差系数信息的可用带宽明显减少了;再有,由于分辨率的提高,表示同一个运动的运动矢量幅值也将大大增加,H.264编码方式的特点是数值越大使用的比特数越多,因此,随着运动矢量幅值的大幅增加,H.264中用来对运动矢量进行预测以及编码的压缩率也将逐渐降低。

相比H.264,H.265提供了更多不同的工具来降低码率。H.265的编码单位可以选择从最小的8x8到最大的64x64。信息量不多的区域(颜色变化不明显,比如天空的灰色部分)划分的宏块较大,编码后的码字较少,而细节多的地方(细节变化较多,比如大楼部分)划分的宏块就相应的小和多一些,编码后的码字较多,这样就相当于对图像进行了有重点的编码,从而降低了整体的码率,编码效率就相应提高了。这个过程有点像“感兴趣区域编码”,针对重要的更多关键细节的部分进行增强划块,无更多关键细节的部分进行简单划块,但是这个过程在H.265上可以自适应识别实现。

图1 H.264编码分开示意图                图2 H.265编码分开示意图

总结发现,H.265和H.264主要的技术区别如下:

分类H.264H.265

编码分块大小范围4x4 ~ 16x168x8 ~ 64x64

Intra帧内预测模式最多9种预测模式最多36种预测模式

Inter帧间插值模式1/2像素6TAP, 1/4像素2TAP分像素8TAP

MVP预测方式空域预测空域和时域预测

变换4x4 ~ 8x84x4 ~ 32x32

新技术 SAO功能

并行化设计 Tile, WPP等

可以看到,H.265相比H.264最主要的改变是采用了块的四叉树划分结构,采用了从64x64~8x8像素的自适应块划分,并基于这种块划分结构采用一系列自适应的预测和变换等编码技术。除此之外,还引入了全新的SAO(Sample Adaptive Offset)技术,SAO是一种参考帧补偿技术,从而提高帧间预测的准确度。同时,在并行实现方面,H.265也采用了WPP (Wavefront Parallel Processing)和Tile技术,能够充分发挥当前主流处理器的多核并行能力。这些新技术的应用,不但有效地提高压缩性能,也为各种处理器平台的有效实现扩展了空间。

反复的比较测试已经表明,在相同的图象质量下,相比于H.264,通过H.265编码的视频码流大小比H.264减少大约39-44%。由于质量控制的测定方法不同,这个数据也会有相应的变化。以目前主流的分辨率为例,H.265在1080p分辨率下相比H.264码率降低40%~50%,在720p下相比降低30%~40%,这也就意味着,1080p全实时只需要1.5~2M左右的码率。如图3所示,图中横坐标表示码率,纵坐标表示PSNR(峰值信噪比),图像客观质量指标,各条曲线为各种常见的视频压缩标准。此外,随着分辨率的提升,H.265码率降低也会更多。如图4中,针对4K高清在行人、交通等场景下的测试也表明,H.265在4超高清分辨率下也可获得相比H.264降低50%~60%的码率。

图3 1080P各个编码器编码性能比较

图4 4K分辨率H.265与H.264编码器编码性能比较

由此看来,无论在功能还是性能上,H.265都几乎对H.264有着全面性的进步,是针对当前视频压缩标准的全面超越,这也使得H.265无可争议的成为了当下“最强”视频压缩技术。