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H.265技術(shù)特征及應(yīng)用趨勢淺析

來源:數(shù)字音視工程網(wǎng)        編輯:小胡    2014-03-28 10:58:32     加入收藏

H.265作為新一代的視頻壓縮技術(shù),其核心的優(yōu)勢在于相比之前的歷代標(biāo)準(zhǔn),可以在同樣的圖像質(zhì)量下,大幅降低壓縮碼率。

  在2010年,ITU-T VCEG和ISO/IEC MPEG共同立項(xiàng)了聯(lián)合項(xiàng)目HEVC(High Efficiency Video Coding),開始研究和制定下一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn),將主要目標(biāo)定義為在1080P分辨率上,相比當(dāng)前主流的視頻壓縮算法提高一倍左右的壓縮比,并提供更高分辨率的有效支持。這一標(biāo)準(zhǔn),也被視為目前安防行業(yè)普遍應(yīng)用的H.264/AVC算法的繼任者H.265。2013年初,HEVC通過標(biāo)準(zhǔn)組織第一階段審批,正式名稱為ITU-T H.265。據(jù)悉,H.265的整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化程序?qū)⒃?014年左右完成,本文就H.265的性能、關(guān)鍵技術(shù)、復(fù)雜度、應(yīng)用趨勢和產(chǎn)業(yè)影響等方面進(jìn)行簡單的分析。

  一.性能指標(biāo)

  H.265作為新一代的視頻壓縮技術(shù),其核心的優(yōu)勢在于相比之前的歷代標(biāo)準(zhǔn),可以在同樣的圖像質(zhì)量下,大幅降低壓縮碼率。

  從客觀效果提升上看,根據(jù)測試H.265在1080P分辨率下相比H.264碼率降低一半左右,并且分辨率越高優(yōu)勢越顯著。下圖是以標(biāo)準(zhǔn)測試序列Kristen and Sara(720P60)和Kimono1(1080P24)所得的結(jié)果。可以看出,720P下的碼流降低幅度約30%~40%,1080P下約40%~50%。總體而言,H.265相對于H.264/AVC客觀性能的提升幅度已達(dá)成目標(biāo)。

  圖1.H.265與各壓縮標(biāo)準(zhǔn)的客觀性能比較[1 ]

  需要指出的是,H.265的壓縮性能提升主要體現(xiàn)在高清圖像上,對于標(biāo)清及更小分辨率的圖像幅度有限。對于高清圖像,如果其紋理復(fù)雜銳利,也較有可能無法達(dá)到上述性能。

  在主觀圖像測試方面也獲得了類似的結(jié)果,1080P下H.265在節(jié)省了約50%碼流的同時(shí),所得的圖像質(zhì)量與H.264相當(dāng)。

  表1.H.265與H.264的主觀效果比較[1 ]

  二.技術(shù)特征

  H.265與H.264所采用的基礎(chǔ)框架類似,在各個(gè)主要的技術(shù)點(diǎn)上都進(jìn)行改進(jìn),尤其是引入了圖像塊自適應(yīng)四叉樹劃分,并采用一系列變尺度的圖像紋理特征自適應(yīng)編碼技術(shù),較大幅度提升了圖像平坦區(qū)域的壓縮能力。各種先進(jìn)的技術(shù)共同作用,使新標(biāo)準(zhǔn)獲得了性能的顯著提升。

  圖2. H.265的編碼框架[2]

  H.265相對于H.264比較大的改進(jìn)是:

  1)在圖像分塊以及運(yùn)動補(bǔ)償、變換塊方面,支持更大尺寸和更多種類;

  2)更靈活豐富的幀內(nèi)/幀間預(yù)測、運(yùn)動矢量預(yù)測和變換模式;

  3)增加環(huán)內(nèi)采樣自適應(yīng)濾波SAO;

  4)提供TILE模式等技術(shù),更好地支持并行處理。

  這些新技術(shù)的運(yùn)用,不但有效地提高壓縮性能,也為充分地考慮了設(shè)計(jì)上的可并行性,為各種處理器平臺的有效實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展了空間。

  三.復(fù)雜度估計(jì)

  關(guān)于運(yùn)算復(fù)雜度方面,可以從編碼和解碼、軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)維度與H.264/AVC進(jìn)行比較分析。

  軟件編碼:根據(jù)初步測試,如果希望接近或達(dá)到官方展示的壓縮效果,軟件實(shí)現(xiàn)的H.265編碼器與H.264的優(yōu)秀編碼器如x264相比,運(yùn)算復(fù)雜度可能有數(shù)量級上的增加。

  1) 其原因主要在于,H.265的性能提升很大部分通過增加較多的編碼模式達(dá)成,而從這些模式中擇優(yōu)選取,是一項(xiàng)非常消耗運(yùn)算量的工作。不過隨著學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)界研究和應(yīng)用的深入,針對H.265更為高效的新算法不斷提出,運(yùn)算的復(fù)雜度將逐漸可控。

  2) 硬件編碼:由于H.265定義的最大圖像分塊為64x64像素,為了保存較大區(qū)域的原始圖像,意味著需要更多的片上緩沖區(qū)。面向高清應(yīng)用,對應(yīng)運(yùn)動搜索范圍的增大也會產(chǎn)生相同的影響。再者,H.265在各模塊,如運(yùn)動補(bǔ)償、變換量化、采樣自適應(yīng)濾波等方面的改進(jìn),也需要更多硬件資源。并且,更復(fù)雜模式選擇算法所要求的計(jì)算代價(jià)仍然存在,只不過與軟件相比,以芯片邏輯面積的增長替代了處理器時(shí)鐘的消耗。總的來說,對于一般性能要求的硬件編碼而言,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度增加比軟件編碼要低一些,是H.264的三五倍左右。

  3) 軟件解碼:由于沒有模式選擇的巨大消耗,H.265在軟件解碼方面的復(fù)雜度較為理想,可能是H.264的兩倍不到。目前國內(nèi)外不少廠商都在x86、ARM等平臺上發(fā)布了可商用的H.265解碼軟件,推動了標(biāo)準(zhǔn)的普及應(yīng)用。

  4) 硬件解碼:從H.265已公布的Main Profile定義看,相對于H.264在硬件解碼方面的復(fù)雜度也有一定程度的增加,尤其是如果需要兼容整個(gè)Profile的全部定義,其增加的幅度可能與中等設(shè)計(jì)要求的硬件編碼接近

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