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新一代视频压缩技术H.265解析

2013-12-30 09:43| 发布者: joejoe0332| 查看: 5565| 评论: 0|原作者: MacX|来自: MacX

摘要: 笔者下载高清电影的时候,如果看到编码格式采用H.264,相对来说就会觉得比较放心,因为采用这种编码格式的画面质量不错。然而这类电影文件体积非常 大,以我国目前的网络状况,下载一部收藏级的高清电影实在需要无比 ...
  笔者下载高清电影的时候,如果看到编码格式采用H.264,相对来说就会觉得比较放心,因为采用这种编码格式的画面质量不错。然而这类电影文件体积非常 大,以我国目前的网络状况,下载一部收藏级的高清电影实在需要无比的耐心。也许有人认为去视频网站看高清不就行了,但在挑剔的影迷眼里,在线视频远远达不 到高清的标准。不过这种情况也许会有所改变了,因为旨在有限带宽下传输更高质量视频的H.265标准,现已加入视频编码之中。


  H.265又称为HEVC(High Efficieny Video Coding),是国际标准化组织和国际电联组织联合制定的新一代视频压缩标准,主要面向高清数字电视以及视频编解码系统的应用。去年8月,爱立信公司推 出了首款H.265编码解码器,6个月后国际电联(ITU)就正式批准通过了该标准。H.265的目标是编码效率比H.264提高50%,即在同等图像质 量条件下,目标码率下降到H.264的50%,带宽也只需原来的一半。这就意味着我们的移动设备将能够直接在线播放全高清(1080p)视频。而 H.265标准也同时支持从SQICF(128×96)到8K超高清(8192×4320)不同的视频应用。


  在了解H.265的优点之前,我们不妨先回顾一下H.264。


  关于H.264


  H.264是由ITU-T视频编码专家组(VCEG)和ISO/IEC动态图像专家组(MPEG)联合组成的联合视频组(JVT,Joint Video Team)提出的高度压缩数字视频编解码器标准。H.264是蓝光的编解码标准之一,所有的蓝光播放器都必须能解码H.264。它也被广泛使用于各种高精 度视频的录制、压缩和发布。更重要的是,苹果公司当初抛弃了Adobe的VP6编码,选择了H.264,让这个标准随着无数的iPad和iPhone走入 了千家万户,最终成为了高清时代视频编码领域的绝对霸主。


  H.264在逻辑上可以分为两层:视频编码层(VCL:Video Coding Layer)负责高效的视频内容表示,网络抽象层(NAL:Network Abstraction Layer)负责以网络所要求的恰当的方式对数据进行打包和传送。


  VCL层数据即编码处理的输出,它表示被压缩编码后的视频数据序列。H.264采用DCT变换编码加D PCM差分编码的混合编码结构,还增加了如多模式运动估计、帧内预测、多帧预测、基于内容的变长编码、4×4二维整数变换等新的编码方式,提高了编码效 率。NAL则负责使用下层网络的分段格式来封装或映射数据,包括组帧、逻辑信道的信令、定时信息的利用或序列结束信号等。NAL支持视频在电路交换信道上 的传输格式,支持视频在Internet上利用RTP/UDP/IP传输的格式。H.264包含了用于差错消除的工具,便于压缩视频在容易误码、丢包的环 境中传输,提高了容错性能。


  总结起来,H.264较过去的压缩标准,具有以下特点:


  更高的编码效率:在同等图像质量的条件下,H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上,是MPEG- 4的1.5~2倍。一部120分钟的全高清电影可以压缩到20G B左右,同时画面质量优于MPEG-2格式。相对而言更利于传播和存储。


  更好的网络适应能力:H.264可以工作在实时通信应用(如视频会议)低延时模式下,也可以工作在没有延时的视频存储或视频流服务器中,并且很好地解决了网络传输丢包的问题。


  当然,H.264的性能改进是以增加编解码计算的复杂性为代价而获得的,因此一些“老爷机”播放MPEG-2高清视频可能无压力,但播放H.264的视频就会相当吃力。不过现在即便是平板电脑都已经支持H.264硬解码了。


  H.264的局限性


  每个高清爱好者都和H.264有过一段美好的过去,但是H.264终究不能永远陪你看风景。因为现在的数字视频正在朝着以下“变态”方向发展:


  1、更高的清晰度:720p已经过时,1080p也显出老态,4K、8K的视频正在向我们走来;


  2、更高的帧率:连影院都不满足24fps的帧率,彼得·杰克逊拍摄《霍比特人》就采用了48fps帧率。而数字视频更是朝着60fps、120fps甚至240fps的应用场景升级;


  3、更高的压缩率:清晰的画面和有限的带宽及存储空间之间永远是矛盾的。因此,在有限的带宽和存储空间下获得最佳视频效果,是高清领域所有相关人员的不懈追求。


  面对这3个“变态”条件,如果我们一直执H.264之手不放,就会出现一些问题:


  数的爆发式增长,会导致用于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所占用的码字过多,导致用于编码残差部分的码字减少。


  2、由于分辨率提高,单个宏块所表示的图像内容的信息大大减少,导致相邻的4×4或8×8块进行整数变换后,低频系数的相似程度大大提高,继而出现大量的冗余。


  3、由于分辨率提高,表示同一个运动的运动矢量的幅值将大幅增加,H.264中用来对运动矢量进行预测以及编码的方法压缩率将逐渐降低。


  4、H.264的一些关键算法例如采用CAVLC和CABAC两种基于上下文的熵编码、去块滤波等都要求串行编码,并行度比较低。而现在的GPU、DSP、FPGA、ASIC等并行化程度都非常高。H.264的这种串行化特征越来越成为制约运算性能的瓶颈。


  H.265,就是为了解决这些问题而来的。



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