H.265高效率視頻編碼

目前，H.264是主流的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。我們看到的賽事電視直播、MP4和MKV格式的電影或者點(diǎn)播的在線(xiàn)視頻，都需要首先使用H.264編碼器壓縮成“連續(xù)的圖片”，然后利用設(shè)備上的H.264解碼器解碼并以“視頻”形式播放。2013年1月，下一代標(biāo)準(zhǔn)H.265，也稱(chēng)為HEVC（High Efficiency Video Coding）的標(biāo)準(zhǔn)已完成。與H.264相比，它最高可提升50%的編碼效率，這意味著同樣畫(huà)面質(zhì)量的視頻僅需使用原來(lái)一半的比特率，或者說(shuō)同樣比特率下畫(huà)面質(zhì)量可提升兩倍。H.265并不是全新發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)，它是H.264技術(shù)的改進(jìn)版，其編解碼需要更強(qiáng)的運(yùn)算能力。

更好也更耗資源

實(shí)際上，視頻是由一系列連續(xù)的單張圖片（幀）組成的。視頻編碼的過(guò)程是，首先編碼器將每一幀圖片切割為更小的、固定大小的區(qū)塊（block），然后將每個(gè)區(qū)塊的色度和亮度轉(zhuǎn)換為頻率值，這種量化的過(guò)程也是壓縮數(shù)據(jù)即刪除重復(fù)數(shù)據(jù)的過(guò)程。最終，連續(xù)的圖片被打包為類(lèi)似ZIP的壓縮文檔，這是編碼器的基本工作原理。鑒于連續(xù)幀之間的變化通常極小，因此MPEG標(biāo)準(zhǔn)引入了一種關(guān)鍵的算法——幀間預(yù)測(cè)（inter-frame prediction）?；谠撍惴?，視頻編碼器會(huì)將幾個(gè)相似的連續(xù)幀組成一個(gè)圖像組（Group of Pictures，GOP），每個(gè)GOP的首幀會(huì)保留全部的圖像頻率值，其他幀則通過(guò)差值計(jì)算來(lái)獲得自己的頻率值。

H.264標(biāo)準(zhǔn)在幀間預(yù)測(cè)外，引入了幀內(nèi)預(yù)測(cè)（intra-frame prediction）算法。H.264編碼器并不編碼所有區(qū)塊的頻率值，而是根據(jù)相鄰像素的差值來(lái)計(jì)算。例如，包含一大片藍(lán)天的畫(huà)面可被大幅壓縮，因?yàn)楫?huà)面中相鄰像素的色度及亮度值幾乎完全相同。H.264的單幀壓縮效率比JPEG圖像高50%。編碼器的目標(biāo)是找出更多相似的區(qū)塊，但編碼效率要求越高，所需的運(yùn)算能力也越高。

H.265同樣采用幀間和幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法，但與H.264相比，它的編碼器工作效率更高。因?yàn)镠.265沒(méi)有采用固定的編碼區(qū)塊大小設(shè)計(jì)。之前視頻編碼的基本編碼單位——宏塊（macroblock）的大小通常是16×16像素。H.265編碼器選擇了編碼樹(shù)單元（coding tree unit，CTU）的設(shè)計(jì)方案，編碼器會(huì)視情況設(shè)定編碼樹(shù)單元的大小，包含16×16像素（適合低分辨率視頻）、32×32像素和64×64像素（適合高清電影）3種尺寸。

每個(gè)編碼樹(shù)單元又被切割為若干編碼單元（Coding Units，CU），切割方式有兩種，或等分為4個(gè)子區(qū)塊，或保留原始尺寸，因此編碼單元的大小在8×8像素到64×64像素之間。同編碼樹(shù)單元一樣，編碼單元包含1個(gè)亮度和2個(gè)色度編碼區(qū)塊（Coding Blocks，CB）。編碼區(qū)塊還將進(jìn)一步被切割為預(yù)測(cè)區(qū)塊（Prediction Blocks，PB）。在細(xì)節(jié)豐富的電影中，H.265編碼器復(fù)雜的細(xì)分過(guò)程，保證了其算法仍能找出足夠多的相似區(qū)塊，刪除重復(fù)區(qū)塊，從而獲得較高的壓縮效率。

優(yōu)化編碼技術(shù)

無(wú)論是H.264還是H.265，將畫(huà)面切割為宏塊或編碼樹(shù)的目的都是類(lèi)似的，其中之一就是要進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，它是幀間預(yù)測(cè)步驟中相當(dāng)重要的一環(huán)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償就是比對(duì)不同的畫(huà)面，從中找出相同的部分予以刪除，只記錄有變動(dòng)的部分，來(lái)達(dá)到節(jié)省數(shù)據(jù)流量的目的。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膶?shí)際方法也不難理解，編碼器在把畫(huà)面切割之后，會(huì)抓取各區(qū)塊與其他幀進(jìn)行比對(duì)，分析各區(qū)塊中的內(nèi)容是否有所變化，以及各內(nèi)容移動(dòng)的方向和距離。如果內(nèi)容沒(méi)有變化，那么該區(qū)塊就可以延用其他幀中的數(shù)據(jù)，如果內(nèi)容產(chǎn)生移動(dòng)，則只需將移動(dòng)的方向與距離記錄為動(dòng)態(tài)向量，就可以省去記錄完整畫(huà)面數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。然而，H.265增加了畫(huà)面切割的靈活性，需要更多的計(jì)算性能。

在解碼方面，H.265支持并行處理技術(shù)。新引入的波前平行運(yùn)算（wavefront parallel processing）算法將畫(huà)面分割為以橫行為單位的CTU群組，所有橫行可同時(shí)解碼。對(duì)采用1080p分辨率、64×64像素CTU的視頻來(lái)說(shuō)，解碼器最多可以用16個(gè)線(xiàn)程并行計(jì)算。

目前市面上還沒(méi)有免費(fèi)的H.265編碼器，但是主流的專(zhuān)業(yè)視頻剪輯軟件在2013年秋天的升級(jí)中就會(huì)增加對(duì)H.265編碼的支持。H.265的解碼器則要簡(jiǎn)單很多，新的平板電腦或智能手機(jī)只要升級(jí)系統(tǒng)或固件就可以支持該標(biāo)準(zhǔn)。用不了多久，高清電視也會(huì)支持H.265，因?yàn)镠.264標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足4K2K分辨率高清視頻的需求。