高效率视频编码

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高效率視頻編碼High Efficiency Video Coding,簡稱HEVC)是一種視訊壓縮標準,被視為是ITU-T H.264/MPEG-4 AVC標準的继任者。2004年開始由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或稱作ITU-T H.265開始制定[1][2][3][4][5]。第一版的HEVC/H.265視訊壓縮標準在2013年4月13日被接受為国际电信联盟(ITU-T)的正式標準[1][2][6]。HEVC被認為不僅提昇影像品質,同時也能達到H.264/MPEG-4 AVC兩倍之壓縮率(等同於同樣畫面品質下位元率減少了50%),可支援4K解析度甚至到超高畫質電視(UHDTV),最高解析度可達到8192×4320(8K解析度)。

數個基於HEVC延伸的編碼標準正在進行中,包含range extensions(支援進階的影片格式)、可調式編碼和3D視頻編碼標準。

歷史[编辑]

標準制定[编辑]

  • 2004年:Key Technical Areas(KTA)

在H.264/AVC標準制定完(2003年)的後一年,VCEG組織便開始研究更先進的視訊壓縮技術,期望能夠發展下一代視訊壓縮標準,或期望能大量提昇壓縮率成為H.264/AVC的延伸版本[1][7]。2005年1月,VCEG開始將這些議題統整稱為Key Technical Areas(KTA),並且開發了一個同名的軟體編解碼器KTA Software來評估被提案的新技術[8][9]。KTA software是基於H.264/AVC的標準參考軟體Joint Model(JM)[8]上,加入新的編碼技術並與JM的編碼效率做比較。到了2007年,KTA Software的編碼效率較JM提升了不少[10]

  • JCT-VC

為此目的MPEG與VCEG聯合成立了一個Joint Collaborative Team on Video Coding(JCT-VC)作為共同開發HEVC的團隊。[1][2]。並每四個月進行一次標準討論與制定的會議。並發佈了HEVC的標準參考軟體HEVC Test Model(HM)[11]

規格書時程[编辑]

HEVC標準(第一個版本)制定的時程如下:[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]

技術細節[编辑]

典型的Hybrid Video Coding視訊編碼器架構

HEVC與H.264/AVC和許多其他視訊壓縮編碼一樣,都是採用Hybrid Video Coding的架構(如右圖),但在各部分加入了一些新技術或者提升了原本編碼工具的效率[18]

編碼樹單元 Coding Tree Block[编辑]

編碼樹單元(Coding Tree Block, CTU)是HEVC的基本編碼單位,有如H.264/AVC的Macroblock。HEVC支援64x64 ~ 128x128像素的CTU大小。編碼樹單元可向下分割編碼單元(Coding Unit, CU)、預測單元(Prediction Unit, PU)及轉換單元(Transform Unit, TU)。

幀內編碼 Intra Coding[编辑]

HEVC幀內編碼將預測的方向性增加到33種,並加入平面預測(Planar Prediction)產生平滑的取樣面。

幀間編碼 Inter Coding[编辑]

轉換編碼 Transform Coding[编辑]

環路濾波器 Loop Filtering[编辑]

HEVC有兩個環路濾波器,解塊濾波器(DBF)與樣本自適應偏移量(SAO)濾波器

去區塊濾波器 Deblocking Filter[编辑]

H.265/HEVC的DBF使用H.264/MPEG-4 AVC類似的設計,更好的支持並行處理是類似的。在HEVC的DBF只適​​用於一個8×8個採樣網格,而與H.264 / MPEG-4 AVC的DBF適用的一個4×4個採樣網格不同。HEVC的DBF使用一個8×8個採樣網格,因為沒有導致明顯的降解,並顯著提高了並行處理,因為的DBF不再導致級聯與其他操作的相互作用。另一個變化是HEVC只允許為0〜2的三個DBF的深度。HEVC的DBF也是的先做畫面的垂直邊緣的水平濾波之後再做對於水平邊緣的垂直濾波,有利於平行處理(多線程)。

取樣自適應偏移 Sample Adaptive Offset[编辑]

在DBF之後的使用SAO過濾器,並使用偏移以產生更好地重建原始信號。每個CTB的SAO濾波器可有兩個模式:邊緣偏移模式​​或帶偏移模式。邊緣偏移量模式中通過比較的取樣的值,根據比較兩個鄰居,將樣品分為五類之一:最小,兩種邊緣,最大值,或兩者都不是,對於每個第一四類施加一個偏移量。能帶偏移的模式可分類成32個頻帶,並選擇四個連續頻帶傳送偏移量。SAO濾波器設計來以提高圖像質量,並減少振盪效應

熵編碼 Entropy Coding[编辑]

使用了跟H.264/AVC High Profile中一樣的CABAC(前文參考之適應性二元算術編碼)演算法來做熵編碼,拋棄了CAVLC

平行化編碼工具[编辑]

Slice[编辑]

Tile[编辑]

Wavefront Processing[编辑]

編碼規範[编辑]

Profile[编辑]

層級與等級[编辑]

HEVC定義了包含Main和High 2種「層級」(tiers)註:目前沒有公定譯名,以及13種「等級」(levels)註:目前沒有公定譯名[1][19]。層級是被設計來面對不同的應用,對其最大位元率做限制。其中Main tier是被設計給大部分的應用,而 High tier是被設計給高要求的應用[1]。等級則是針對位元流設定了一組限制,與Profile相似[1][19]。當一個解碼器符合給定了的層級與等級,代表此解碼器也被要求必須能解碼用該層級/等級及較低層級/等級所編碼出來的位元流[1][19]

產品與實現[编辑]

2012[编辑]

  • 2012年2月29日,在2012世界移動通信大會上,高通展示了一個HEVC解碼器運行在Android平板上,使用了Qualcomm Snapdragon S4 雙核心處理器運行在1.5GHz,將同一個影片以H.264/AVC和HEVC同時並行撥放。在此展示中HEVC展現了較H.264/AVC幾乎節省了50%的位元率。[20]
  • 2012年9月9日,Ateme在IBC 2012上展示了一個HEVC編碼器,能夠以60fps、平均15 Mbit/s的條件下編碼3840x2160p解析度的影片。ATEME計畫在2013年10月正式發布此HEVC編碼器。[29][30][31]

2013[编辑]

  • 2013年1月8日,Vanguard Video發表了V.265,一個專業的純軟體HEVC編碼器,能達到實時的編碼效能。[40]
  • 2013年2月11日,MIT的研究者們於2013國際固態電路研討會(ISSCC)上,展示了世界第一個HEVC ASIC解碼器[45]。他們的晶片能夠實時解碼3840x2160p 30fps的影片串流,並消耗低於0.1的電力[46]
  • 2013年5月9日,日本放送協會三菱電機發表訊息說他們正共同開發第一個專門為8K UHD TV(也可稱為Super Hi-Vision, SHV)的HEVC編碼器,將支援Main 10 profile達到Level 6.1,允許以60fps的速度編碼10-bit解析度7680x4320的影片。此HEVC編碼器有17個3G-SDI英语3G-SDI輸入並使用了17個主機板做平行處理,每一塊主機板都會被分配到7680x256畫面中的其中一行像素點同時做運算,來達到整個影片的實時編碼[54][55][56][57]。此HEVC編碼器兼容於HEVC第四版的草稿並且提供最大位元率340 Mbit/s[58],並被展示在2013年5月30至6月2日的NHK放送技術研究所英语NHK Science & Technology Research Laboratories Open House 2013[54][56][59]。在此展覽中此HEVC編碼器在85 Mbit/s的位元率下提供了350:1的壓縮比[60][61]
  • 2013年5月15日,DivX發布了一個DivX HEVC影片profile草案,基於HEVC Main profile及Main tier並加上特別為了DivX HEVC影片profile所設的限制[62][63]。DivX HEVC 4K、1080p、720p影片profile的草案目前只定義了影片部分,DivX也計畫在未來定義profile的其他部分[62][63]。此DivX HEVC 4K影片profile允許最大位元率達到HEVC Level 5.1 (40 Mbit/s)但是最大每秒取樣數則被限制在HEVC Level 5 (4096x2160 at 30 fps)[64]
  • 2013年6月4日,Rovi Corporation英语Rovi Corporation發布MainConcept HEVC SDK 1.0[67],支援 Smart Adaptive Bitrate Encoding Technology (SABET)能允許在降低了的計算耗損下,同時編碼至多10個影片串流輸出[67]。SDK 1.0將有Windows版本,而SDK 1.0.1將在2013年7月發布,並增加Linux和Mac OS X的支援[67][68]。SDK 1.0支援了Main profile而SDK 2.0將會支援Main 10 profile並將在2013年Q4發布[68][69]
  • 2013年6月10日,Vanguard Video發表消息說他們的V.265專業HEVC編碼器加入了Main 10 profile的支援,成為第一個支援Main 10 profile的實時HEVC軟體編碼器。[70]
  • 2013年7月19日,Allegro DVT說他們改進了該公司的HEVC解碼器IP,增加Main 10 profile的支援。[72][73]
  • 2013年8月8日,日本電信電話發布了他們的HEVC-1000 SDK軟體編碼器,能支援Main 10 profile、解析度最高7680x4320以及禎率最高到120 fps。[76]
  • 2013年8月21日,Microsoft發布了一個用於HEVC的DXVA(DirectX Video Acceleration)規範,支援Main、Main 10及Main Still Picture profile。DXVA 2.0啟用後可進行HEVC解碼的硬體加速DXVA 2.0,並且相容的解碼器可以使用DXVA 2.0進行以下操作:位元流解析、去區塊、反量化縮放、反轉換以及動作補償[77]
  • 2013年9月4日,Ittiam Systems英语Ittiam Systems在2013 IBC上展示了實時1080p HEVC編碼和4K HEVC解碼。Ittiam的軟體HEVC編碼器在Intel x86平台支援了UHD解析度編碼以及實時進行廣播等級的HD 1080p編碼;其軟體HEVC解碼器則是能在Intel x86和ARM Cortex™平台上運行4K/UHD的實時解碼。[78][79]
  • 2013年9月5日,DivX在當天發佈的DivX 10.0中提供了DivX HEVC Plug-in,啟用後即可播放或將其他格式影片轉換為HEVC影片。DivX成為第一家提供免費的影片播放器和影片轉換器的軟體廠商。[80]
  • 2013年9月11日, NGCodec Inc.發表了免費可取得的4K HEVC測試影片。[83]
  • 2013年10月16日,OpenHEVC解碼器被加入到FFmpeg中。[101]
  • 2013年10月23日,Ittiam Systems英语Ittiam Systems在2013 ARM TechCon上,展示了為ARM Mali™ GPU運算以及ARM® Cortex®-A系列處理器最佳化的低功耗HEVC解碼器。Ittiam的HEVC解碼器被設計來充分利用行動SoC的運算能力,它可以很好地控制GPU的計算能力以及能源效率來減少電量消耗。[102] [103]
  • 2013年11月14日,DivX developers提供了使用Intel i7 3.5 GHz 四核心八執行緒CPU的HEVC解碼表現。DivX 10.1 Beta版的解碼器能分別以210.9 fps、101.5 fps、29.6 fps的速度來解碼720p、1080p、4K的影片。[105]

2014[编辑]

  • 2014年1月15日,oViCs發表了ViC-1 HEVC解碼器,支援了Main 10 profile並且能以120fps速度編碼4K影片。[107]

參見[编辑]

參考資料[编辑]

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外部連結[编辑]