HEVCH.265

Agent2H.265的發展背景和歷程H.265的關鍵技術H.265編碼能力對比H.265的產品實現H.265應用實測H.265與4K視頻背景(1)3視頻應用向以下幾個方向發展的趨勢愈加明顯：高清晰度(HigherDefinition)：數字視頻的應用格式從720P向1080P全面升級，在一些視頻應用領域甚至出現了4Kx2K、8Kx4K的數字視頻格式;高幀率(Higherframerate)：數字視頻幀率從30fps向60fps、120fps甚至240fps的應用場景升級;高壓縮率(HigherCompressionrate)：傳輸帶寬和存儲空間一直是視頻應用中最為關鍵的資源，因此，在有限的空間和管道中獲得最佳的視頻體驗一直是用戶的不懈追求。

背景（2）4由于數字視頻應用在發展中面臨上述趨勢，如果繼續采用H.264編碼就出現的如下一些局限性：

(1)宏塊個數的爆發式增長，會導致用于編碼宏塊的預測模式、運動矢量、參考幀索引和量化級等宏塊級參數信息所占用的碼字過多，用于編碼殘差部分的碼字明顯減少。

(2)由于分辨率的大大增加，單個宏塊所表示的圖像內容的信息大大減少，這將導致相鄰的4x4或8x8塊變換后的低頻系數相似程度也大大提高，導致出現大量的冗余。

(3)由于分辨率的大大增加，表示同一個運動的運動矢量的幅值將大大增加，H.264中采用一個運動矢量預測值，對運動矢量差編碼使用的是哥倫布指數編碼，該編碼方式的特點是數值越小使用的比特數越少。因此，隨著運動矢量幅值的大幅增加，H.264中用來對運動矢量進行預測以及編碼的方法壓縮率將逐漸降低。

(4)H.264的一些關鍵算法例如采用CAVLC和CABAC兩種基于上下文的熵編碼方法、deblock濾波等都要求串行編碼，并行度比較低。針對GPU/DSP/FPGA/ASIC等并行化程度非常高的CPU，H.264的這種串行化處理越來越成為制約運算性能的瓶頸。H.265應運而生5基于以上應用發展趨勢和H.264的局限性，面向更高清晰度、更高幀率、更高壓縮率的高效視頻編碼標準(HighEfficiencyVideoCoding）HEVC(H.265)協議標準應運而生。HEVC的:核心目標：在H.264/AVChighprofile的基礎上，保證相同視頻質量的前提下，視頻流的碼率減少50%。在提高壓縮效率的同時，允許編碼端適當提高復雜度（三倍計算復雜性下）。編碼框架：沿用H.263的混合編碼框架，即用幀間和幀內預測編碼消除時間域和空間域的相關性，對殘差進行變換編碼以消除空間相關性，熵編碼消除統計上的冗余度。HEVC在混合編碼框架內，著力研究新的編碼工具或技術，提高視頻壓縮效率。技術創新：基于大尺寸四叉樹結構的分割技術，多角度幀內預測技術，運動估計融合技術，高精度運動補償技術，自適應環路濾波技術以及基于語義的熵編碼技術。H.265（HEVC）標準完成時間點62010年1月，ITU-TVCEG(VideoCodingExpertsGroup)和ISO/IECMPEG(MovingPictureExpertsGroup)聯合成立JCT-VC(JointCollaborativeTeamonVideoCoding)了聯合組織，統一制定下一代編碼標準：HEVC(HighEfficiencyVideoCoding)。2012.2：委員會草案（標準草案完成稿）；HEVC委員會草案獲得通過。2012.7：HEVC國際標準草案獲得通過；2013.1：國際標準最終獲得通過；Agent7H.265的發展背景和歷程H.265的關鍵技術H.265編碼能力對比H.265的產品實現H.265應用實測H.265與4K視頻H.265關鍵技術(1)—四叉樹編碼結構8該結構使用編碼單元(CodingUnit,CU)，預測單元(PredictionUnit,PU)和變換單元(Transformunit,TU)3個概念描述整個編碼過程。編碼單元：HEVC定義了5種類型的編碼元:128×128(LCU)，64×64，32×32，16×16，8×8(SmallestCodingUnit,SCU)。對于每個CU，HEVC使用PU來實現該CU單元的預測過程，對于幀內預測，HEVC定義了34種幀內預測方向（H.264為9種），對于幀間預測，HEVC采取了運動矢量方案(MVR)、差值濾波(IF)、運動共享(MS)、運動向量競爭(MVC)和基于塊的照明競爭(B-BIC)來提高編碼性能。變換單元，則是針對正交變換和量化。對于正交變換，HEVC采用包含了16×16，32×32和64×64等尺寸塊的變換矩陣、旋轉變換和基于模式的方向性變換來提高編碼性能。H.265關鍵技術(1)—四叉樹編碼結構9

LCU的樹形結構示意圖(a)2N×2N(b)N×2N(c)2N×N(d)N×N

4種PU分割類型64×64CU所支持的4種AMP分割形態HEVC的變換結構突破了原有的變換尺寸限制，可支持4×4至32×32的編碼變換，以TU為基本單元進行變換和量化。為提高大尺寸編碼單元的編碼效率，DCT變換同樣采用四叉樹型的變換結構。下圖為編碼單元、變換單元的四叉樹結構關系圖，其中虛線為變換單元四叉樹分割，實線為編碼單元四叉樹分割，編號為各編碼單元的編碼順序。H.265關鍵技術(1)—四叉樹編碼結構10左圖是傳統的H.264標準，每個宏塊大小都是固定的；右圖是H.265標準，編碼單元大小是根據區域信息量來決定的H.265關鍵技術(1)—四叉樹編碼結構11H.265關鍵技術(2)—預測編碼技術12HEVC的幀間、幀內預測的基本框架與H.264基本相同：采用相鄰塊重建像素對當前塊進行幀內預測，從相鄰塊的運動矢量中選擇預測運動矢量，支持多參考幀預測等。HEVC改進之處：幀內預測將原有的8種預測方向擴展至33種，增加了幀內預測的精細度。另外，幀內預測模式保留了DC預測，并對Planar預測方法進行了改進。目前HM模型中共包含了35種預測模式，下圖只顯示了34種，未顯示Planar預測方法。多角度幀內預測H.265關鍵技術(2)—預測編碼技術13幀間預測技術廣義B預測技術：HEVC仍然采用了H.264中的B預測方式，同時還增加了廣義B(GeneralizedPandBpicture，GPB)預測方式。GPB預測結構對傳統P幀采取雙向預測方式進行預測，前向和后向參考列表中的參考圖像都必須為當前圖像之前的圖像，且兩者為同一圖像，這種運動預測方式增加了運動估計的準確度，提高了編碼效率。高精度運動補償技術：HEVC的編碼器內部增加了像素比特深度，最大可支持12bit的解碼圖像輸出，提高了解碼圖像的信息精度。HM模型采取了高精度的雙向運動補償技術，即無論最終輸出圖像比特深度是否增加，在雙向運動補償過程中都將使用14bit的精度進行相關計算。運動融合技術：將以往的跳過預測模式(SkipMode)和直接預測模式(DirectMode)的概念進行了整合。采用融合模式時，當前PU塊的運動信息(包括運動矢量、參考索引、預測模式)都可以通過相鄰PU的運動信息推導得到。編碼時，當前PU塊只需要傳送融合標記(MergeFlag)以及融合索引(MergeIndex)，無需傳送其運動信息自適應運動矢量預測技術：為一般的幀間預測PU服務，通過相鄰空域相鄰PU以及時域相鄰PU的運動矢量信息構造出一個預測運動矢量候選列表，PU遍歷運動矢量候選列表，在其中選擇最佳的預測運動矢量。利用AMVP技術可充分發掘時域相關性和空域相關性。H.265關鍵技術(3)—環路濾波141個HEVC環路濾波包括3個環節：去塊濾波：在H.264的去塊濾波技術的基礎上發展而來的，但為了降低復雜度，目前的HM模型取消了對4×4塊的去塊濾波采樣點自適應偏移(SampleAdaptiveOffset，SAO)：HEVC采用的新技術，SAO在編解碼環路內，位于Deblock之后，通過對重建圖像的分類，對每一類圖像像素值加減一個偏移，達到減少失真的目的，從而提高壓縮率，減少碼流。分為帶狀偏移(BandOffset，BO)和邊緣偏移(EdgeOffset，EO)兩大類自適應環路濾波(AdaptiveLoopFilter，ALF)：HEVC采用的新技術，在編解碼環路內，位于Deblock和SAO之后，用于恢復重建圖像以達到重建圖像與原始圖像之間的均方差(MSE)最小。H.265關鍵技術(4)—熵編碼15H.264的熵編碼CABAC編碼器采用串行處理的方式，解碼端需要非常高頻率的計算能力；而H.265選用了兩種并行商編碼方案，提高并行處理能力，降低對解碼端芯片的頻率要求：可支持上下文自適應變長編碼(CAVLC)：用于低復雜度的編碼場合基于語法元素的上下文自適應二進制算術編碼(SB-CABAC)：用于高效的編碼場合。H.265關鍵技術(5)—細粒度slice分塊邊界16H.265的熵編碼slice邊界劃分不以LCU為單位，而是以更小的CU為單位，每個slice的大小都可以精確控制，同時解決了碼率控制和負載均衡的問題。但是帶來的代價是slice邊界處理更為復雜。片的分割如圖：H.265關鍵技術(6)—比H.264改進之處17相對于H.264，H.265標準的算法復雜性有了大幅提升，以此獲得較好的壓縮性能。H.265在很多特性上都做了較大的改進，具體各項改進如表所示：

H.264H.265MB/CU大小4×4‥16×164×4‥64×64亮度插值Luma-1/2像素{1,-5,20,20,-5,1}Luma-1/4像素{1,1}Luma-1/2像素{-1,4,-11,40,40,-11,4,-1}Luma-1/4像素{-1,4,-10,57,19,-7,3,-1}Luma-1/4像素{-1,3,-7,19,57,-10,4,-1}MVP預測方法空域MVP預測空域+時域MVP預測AMVP\Merge亮度Intra預測4×4/8×8/16×16:9/9/4模式34種角度預測+Planar預測DC預測色度Intra預測DC,Horizontal,Vertical,PlaneDM,LM,planar,Vertical,Horizontal,DC,diagonal變換DCT4×4/8×8DCT4×4/8×8/16×16/32×32DST4×4去塊濾波器4×4和8×8邊界Deblock濾波較大的CU尺寸，4×4邊界不進行濾波Agent18H.265的發展背景和歷程H.265的關鍵技術H.265編碼能力對比H.265的產品實現H.265應用實測H.265與4K視頻編碼能力對比19圖像大小-幀數場景視頻質量PSNRY主觀同等質量下的碼率(kbps)碼率降低比率H.264H.265D1-24fps簡單4353835134.8%風景45.8120575037.8%運動38.5123078036.6%720P-24fps簡單42.583553735.7%風景45.4207013593.5%運動39.52252144236.0%分別采用不同的編碼技術編出D1和720P的視頻，在同等分辨率下每種編碼技術碼率對比如下表所示：編碼能力對比20相同質量情況下，H.265編碼比H.264編碼的碼率減少25%～35%。質量越高，編碼后的碼率差別越大。編碼能力對比21編碼能力對比22編碼標準碼率降低的平均值H.264/MPEG-4AVCHPMPEG-4ASPH.263HLPH.262/MPEG-2MPHEVCMP35.4%63.7%65.1%70.8%H.264/MPEG-4AVCHP---44.5%46.6%55.4%MPEG-4ASP------3.919.7%H.263HLP---------16.2%相同PSNR時，幾種不同視頻編碼標準的對比：壓縮能力對比23Agent24H.265的發展背景和歷程H.265的關鍵技術H.265編碼能力對比H.265的產品實現H.265應用實測H.265與4K視頻H.265的產品實現—編碼器25編碼器（硬件）：2.編碼器（軟件）：2013年1月8日，VanguardVideo發表了V.265，一個專業的純軟件HEVC編碼器，能達到實時的編碼性能。同年6月，V.265專業HEVC編碼器加入了Main10profile的支持，成為第一個支持Main10profile的實時HEVC軟件編碼器。2013年8月8日，日本電信電話發布了他們的HEVC-1000SDK軟件編碼器，能支持Main10profile、分辨率最高7680x4320以及禎率最高到120fps。2013年9月，北京瑞普圖視發布其國內首款H.265實時編碼軟件，可以輕松地分別實現1路1080p、2路720p、4路480p的實時輸入、編碼壓縮、實時輸出，延時小于1秒以內，畫面清晰流暢2013年10月，Ateme正式發布HEVC編碼器，能夠以60fps、平均15Mbit/s的碼率編碼3840x2160p分辨率的視頻2012年8月22日，Ericsson發表了世界第一個HEVC編碼器EricssonSVP5500，可做到實時編碼視頻，并首先用于在移動網絡上提供電視節目。H.265的產品實現—解碼器（硬件）262012年9月，法國AllegroDVT推出了全球首款HEVC廣播配件：AL1200HD-SDI解碼器與AL2200IP轉碼器，并于2013年7月改進了其HEVC解碼器IP，增加Main10profile的支持。2013年1月8日，博通發表了一個UHD解碼芯片BCM7445，能夠運行解碼HEVC至最高4096x2160p分辨率于60fps。BCM7445采用28納米ARM架構，能達到21,000Dhrystone的每秒百萬指令，預計在2014年中批量生產。2013年2月11日，MIT于國際固態電路研討會(ISSCC)上，展示了世界第一個HEVC

ASIC解碼器。他們的芯片能夠實時解碼3840x2160p30fps的視頻流，并消耗低于0.1瓦的電力ARM不僅在其Mali-T600GPU上實現了1080P的HEVC解碼，2013年10月，ARM還發布其全球第一個4Kx2K實時硬解H.265的GPU芯片Mali-T764，可支持OpenGLES3.0和OpenCL1.2。Mali-T764最大特點是采用第三代MIDgard架構。H.265的產品實現—解碼器（軟件）272012年2月29日，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

SnapdragonS4雙核心處理器運行在1.5GHz，將同一個視頻以H.264/AVC和HEVC同時并發播放，HEVC展現了較H.264/AVC幾乎節省了50%的比特率2013年3月，NTTDoCoMo開始授權其HEVC解碼軟件，能夠在個人計算機上撥放4KUHDTV的視頻于60fps以及在智能手機上撥放1080p的視頻，在一個JCT-VC文件內，該軟件解碼器能夠在2.7GHz四核心IvyBridgeCPU的平臺上，以3個線程解碼3840x2160于60fps2013年4月3日，Ateme發布了第一個開放源代碼實現的HEVC軟件播放器，基于OpenHEVC解碼器和GPAC視頻播放器(兩者都基于LGPL授權)。OpenHEVC解碼器支持HEVCMainprofile，能夠用宏內核的CPU來解碼1080p30fps的視頻，同時還有一個支持HEVC的實況轉碼器搭配GPAC視頻撥放器。H.265的產品實現—編解碼器282012年9月6日，RoviCorporation發表一個HEVC適用的MainConcept

SDK，HEVCMainConceptSDK包含了一個解碼器、編碼器及傳輸多任務器，可在MicrosoftWindows、MacOS、Linux、iOS及Android上運行。2013年3月14日，IttiamSystems發布了一個HEVC視頻編碼器及解碼器，其中編碼器是基于Intel

x86軟件，能編碼高清(HD)放送質量的視頻。而解碼器軟件可在基于ARM

Cortex?-A9以及Cortex?-A15的SoC上運行，允許大部分現存的消費性電子設備譬如智能手機、平板電腦、智能電視、機上盒來撥放高解析的HEVC內容。2013年9月6日，ThomsonVideoNetworks展示了一個試驗式的UHD傳輸用的HEVC編解碼器，并且被人造衛星傳輸營運商HISPASAT所采用。H.265的產品實現—轉碼器及其他292013年9月11日，ViXSSystems了XCode6400SoC，在HEVCMain10profile下支持4K分辨率于60fps，以及Rec.2020色彩空間。并于2013年12月18日正式出貨。2013年8月21日，Microsoft發布了一個用于HEVC的DXVA（DirectXVideoAcceleration）規范，支持Main、Main10及MainStillPictureprofile。DXVA2.0可進行HEVC解碼的硬件加速，兼容的解碼器可使用DXVA2.0進行以下操作：比特流解析、去區塊、反量化縮放、反轉換以及運動補償。2013年9月，DivX在DivX10.0中提供了DivXHEVCPlug-in，激活后即可播放或將其他格式視頻轉換為HEVC視頻。DivX10.1Beta版的解碼器能分別以210.9fps、101.5fps、29.6fps的速度來解碼720p、1080p、4K的視頻。2013年1月，三星電子在F8500等離子電視支持HEVC解碼。H.265的產品實現—云網行CR1230采用最新的瑞芯微RK3288芯片。CPU：四核Cortex-A17構架處理器，最高主頻達到1.8GHz。GPU：最新、最強的8核MaliT76X。強勁的CPU、GPU，支持4K*2K視頻H.265硬解。通過HDMI2.0展現完美的4K視頻播放輸出。云網行2014年6月推出的新品--云網行CR12：Agent31H.265的發展背景和歷程H.265的關鍵技術H.265編碼能力對比H.265的產品實現H.265應用實測H.265與4K視頻H.265應用實測（迅雷）32測試配置：AthlonIIX46403.0GHz；DDR313336GB（DC+enabled）；Windows764bit

測試僅用一個場景片段，一個碼率預設值，來測試迅雷HEVC編碼器的速度與壓縮效率，同時與H264作對比。測試參數配置：

編碼測試結果：CPU基本滿載編碼，HEVC用時83分鐘，H.264用時10分鐘左右。（絕對數值與硬件配置有關）解碼測試結果：從啟動播放器到播放到30秒處的CPU時間分別如下：HEVC:27秒；H264:19秒測試片源：1280X720，時長1分33秒編碼軟件：LentoidHEVCEncoder（北京視駿）；解碼軟件：LentoidCodec,版本是2.0.02013年3月30日迅雷看看獨家首發了H.265升級版客戶端，成為行業內首個將H.265技術標準從試驗階段正式大規模投入商用的企業。H.265應用實測（迅雷）33HEVC在控制block方面做得很不錯。線條方面，HEVC的線條走樣遠小于AVC方案，但水面細節涂抹的很嚴重。高動態下的效果，HEVC對細節的涂抹非常嚴重，甚至x264都保留了更多背景的粒子特效源片H.265/HEVCH.264/AVCH.265應用測試（PPS）34臻高清測試環境：Windows7旗艦版、AMDFX-5000(4核)、顯卡GTX-260、

內存DDR34GB2013年4月，PPS發布了支持H.265技術的“PPS影音”客戶端，并以“臻高清”命名成為獨立品牌，成為國內首家自主研發支持H.265技術，并掌握核心技術的視頻應用公司，實現在線視頻1080P畫質。2012年9月，PPS正式成立了H.265研發團隊。這個由有8人組成的團隊，經過半年的時間開發，推出了國內首家支持H.265技術的客戶端產品。H.265應用測試（PPS）35PPS普通畫質版-見龍卸甲截圖，劉備眼部模糊PPS高清畫質版-見龍卸甲截圖，劉備面部略灰

PPS超清畫質版-見龍卸甲截圖，劉備面部比較清晰PPS臻高清畫質版-見龍卸甲截圖，劉備目光銳利、面部栩栩如生測試一：畫質清晰度對比H.265應用測試（PPS）36測試二：四種畫質流量占用統計：測試影片來源清晰度下載文件大小（MB）我知女人心PPS普通423高清601