H.265技術(shù)特征及應用趨勢淺析

　　在2010年，ITU-T VCEG和ISO/IEC MPEG共同立項了聯(lián)合項目HEVC(High Efficiency Video Coding)，開(kāi)始研究和制定下一代視頻壓縮標準，將主要目標定義為在1080P分辨率上，相比當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。這一標準，也被視為目前安防行業(yè)普遍應用的H.264/AVC算法的繼任者H.265。2013年初，HEVC通過(guò)標準組織第一階段審批，正式名稱(chēng)為ITU-T H.265。據悉，H.265的整個(gè)標準化程序將在2014年左右完成，本文就H.265的性能、關(guān)鍵技術(shù)、復雜度、應用趨勢和產(chǎn)業(yè)影響等方面進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

　　一.性能指標

　　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準，可以在同樣的圖像質(zhì)量下，大幅降低壓縮碼率。

　　從客觀(guān)效果提升上看，根據測試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(zhù)。下圖是以標準測試序列Kristen and Sara(720P60)和Kimono1(1080P24)所得的結果?？梢钥闯?，720P下的碼流降低幅度約30%~40%，1080P下約40%~50%?？傮w而言，H.265相對于H.264/AVC客觀(guān)性能的提升幅度已達成目標。

　　圖1.H.265與各壓縮標準的客觀(guān)性能比較[1 ]

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

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

　　表1.H.265與H.264的主觀(guān)效果比較[1 ]

　　二.技術(shù)特征

　　H.265與H.264所采用的基礎框架類(lèi)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四叉樹(shù)劃分，并采用一系列變尺度的圖像紋理特征自適應編碼技術(shù)，較大幅度提升了圖像平坦區域的壓縮能力。各種先進(jìn)的技術(shù)共同作用，使新標準獲得了性能的顯著(zhù)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)在圖像分塊以及運動(dòng)補償、變換塊方面，支持更大尺寸和更多種類(lèi);

　　2)更靈活豐富的幀內/幀間預測、運動(dòng)矢量預測和變換模式;

　　3)增加環(huán)內采樣自適應濾波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)的運用，不但有效地提高壓縮性能，也為充分地考慮了設計上的可并行性，為各種處理器平臺的有效實(shí)現擴展了空間。

　　三.復雜度估計

　　關(guān)于運算復雜度方面，可以從編碼和解碼、軟件實(shí)現和硬件實(shí)現兩個(gè)維度與H.264/AVC進(jìn)行比較分析。

　　軟件編碼：根據初步測試，如果希望接近或達到官方展示的壓縮效果，軟件實(shí)現的H.265編碼器與H.264的優(yōu)秀編碼器如x264相比，運算復雜度可能有數量級上的增加。

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

　　2) 硬件編碼：由于H.265定義的最大圖像分塊為64x64像素，為了保存較大區域的原始圖像，意味著(zhù)需要更多的片上緩沖區。面向高清應用，對應運動(dòng)搜索范圍的增大也會(huì )產(chǎn)生相同的影響。再者，H.265在各模塊，如運動(dòng)補償、變換量化、采樣自適應濾波等方面的改進(jìn)，也需要更多硬件資源。并且，更復雜模式選擇算法所要求的計算代價(jià)仍然存在，只不過(guò)與軟件相比，以芯片邏輯面積的增長(cháng)替代了處理器時(shí)鐘的消耗?？偟膩?lái)說(shuō)，對于一般性能要求的硬件編碼而言，實(shí)現復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(méi)有模式選擇的巨大消耗，H.265在軟件解碼方面的復雜度較為理想，可能是H.264的兩倍不到。目前國內外不少廠(chǎng)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(dòng)了標準的普及應用。

　　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計要求的硬件編碼接近