- 级别：IEEE
- 作者：Jianing Li, Zhaohui Li, Dongmei Li
- 时间：2016
- 机构：中国传媒大学
- 下载：Performance Comparison of H.264 and H.265 Encoders for 4K Video Sequences
摘要
背景：随着电视行业对超高清（Ultra-High Definition, UHD）的需求不断增长，4K Ultra HD技术正逐渐成为业界关注的焦点。
技术现状：目前，编码4K Ultra HD信号最常用的两种技术是H.264编码和HEVC（High Efficiency Video Coding，也称为H.265）编码。
研究目的：本文旨在通过比较这两种编码技术的性能，来评估它们在编码4K视频序列时的优劣。
研究方法：论文采用了两种编码技术对不同的4K视频序列进行编码，并通过对编码性能的分析和比较来得出结论。
预期结果：通过这种比较，论文预期能够提供关于H.264和H.265在编码效率、质量、速度等方面的深入见解，并可能指出哪一种技术更适合4K视频的编码需求。
4k视频发展
电视行业发展：电视行业一直在追求更完美的图像和声音。数字技术的发展加速了电视分辨率的提升，从标清到高清，再到4K和8K的出现，这表明了电视领域的当前发展趋势。
4K技术的优势：
- 图像信息量：4K技术的图像信息是高清的四倍，使得画面更清晰、质量更精细。
- 帧率和色域：4K技术通过提高帧率和扩展色域，更有利于快速运动的显示，能够展示更多的图像细节，更好地还原真实画面。
- 观影体验：4K技术满足了观众对于大屏幕高清图像质量的需求，缩短了最佳观影距离，提高了沉浸感。
4K技术的推广：
- 日本：2013年10月27日，在日本大阪的马拉松赛事中完成了世界上首次4K高清电视直播演示。
- 日本：2014年6月，日本开始全国范围的4K节目免费试播，采用HEVC/H.265编码技术，频道信号帧率为60帧。
- 韩国：韩国也有采用HEVC/H.265编码技术的4K频道，频道信号帧率为60帧，带宽为每秒32兆比特。
- 中国：中国也在发展4K技术，2015年，中国推出了首个4K频道。
4k视频编码技术
4K信号的高比特率：4K电视信号的比特率远高于高清电视信号，这使得数据传输变得相当困难。
高效视频编码技术的需求：为了解决高比特率传输的问题，需要采用高效的视频编码技术对原始信号进行压缩编码。
H.264编码及其测试平台：
- H.264/AVC是由ITU-T VCEG和ISO/IEC MPEG共同制定的视频编码标准，自2003年4月发布以来，已成为最广泛使用的标准。
- H.264编码用于4K图像传输，需要将4K图像分为4个高清图像，并通过卫星传输合成，这需要较高的带宽。例如，30fps的4K信号需要40Mbps的带宽，而60fps的信号则需要约80Mbps。
- x264是一个开源的H.264/MPEG-4 AVC视频编码库，自2003年起发展，特别是Dark的加入后，逐渐成为更常用的H.264/MPEG-4 AVC视频编码器。
- x264提供了多种参数设置，包括PRESET系统和TUNE系统，以简化编码输入和推荐，调整编码速度和质量的平衡。
HEVC编码及其测试平台：
- HEVC（高效率视频编码）是继H.264/AVC之后ITU-T VCEG制定的最新视频编码标准，适应4K编码的需求，具有更高的压缩比、更快的处理速度和更好的适应能力。
- 尽管HEVC编码技术在中国尚未完全成熟，与自主研发的AVS编码存在一定差距，但其推广和发展需要进一步加强。
- x265测试平台是一个符合HEVC/H.265视频编码标准的开源和免费软件功能的视频库，与x264项目类似，使用GNU通用公共许可证（GPL）2授权或商业许可授权。
实验与分析
A. 实验介绍
- 实验目的：测试和比较H.264和HEVC（H.265）编码器在编码4K超高清视频序列时的性能。
- 实验平台：使用x264和x265测试平台，分别对应H.264和HEVC编码。
- 编码设置：两种编码器均使用预设系统，根据编码速率从超快到极慢分为八种编码配置。
- 实验设备：配置包括2.60 GHz的Intel Xeon处理器、32 GB内存、64位CPU和Windows 7专业版操作系统。
- 测试序列：选用ITU-R BT.500推荐的八个不同的4K超高分辨率视频序列，所有序列的帧频均为50。
B. 测试速率选择
- 当前标准：许多国家和地区已经采用了4K直播频道，H.264编码的4K视频传输比特率设置约为40 Mbps，而HEVC编码约为20 Mbps。
- 实验设置：实验中H.264编码的高清视频传输速率范围为20-60 Mbps，HEVC编码为15-40 Mbps，每个速率范围选取六个测试点。
C. 实验数据和结果分析
- 实验1：对x264和x265编码4K序列的最佳编码速率测试。
- 视频复杂性分析：使用ITU-R BT.1788提出的TISI复杂性评估方法，通过计算帧间差异和边缘检测来评估视频序列的复杂性。
- 测试序列选择：根据复杂性分析选择高复杂度的lupo_confetti和中等复杂度的studio_dancer进行测试。
- 结果分析：实验结果显示x265在不同比特速率下的编码性能略优于x264，且x265更适合4K序列编码。
- 实验2：x264与x265编码性能比较。
- 性能比较：在各自的最佳编码速度下，x265展现出比x264更好的编码性能，在相同编码质量条件下，x265节省了近50%的比特率。
- 编码时间对比：在各自的最佳编码条件下，x265的编码时间是x264的50-100倍。在相同的条件下（比特率35M，中等编码速度），x265的编码时间大约是x264的2-3倍。
- 主观图像质量比较：x265编码的图像质量明显优于x264。
实验结果
- x264和x265都有各自的最佳编码速度，但x265更适合4K视频编码，并且在相同编码质量下，x265的编码性能优于x264，但代价是更长的编码时间。
结论
最佳编码速度：x264和x265各自拥有最佳的编码速度。对于x264来说，最佳编码速度是较快级别；而对于x265来说，最佳编码速度是极慢级别。
编码速度与质量的关系：x265符合编码规则，即编码速度越慢，编码质量越好。
4K编码适用性：与x264相比，x265更适合4K视频的编码。
编码性能比较：在相同编码质量的条件下，x265的编码性能优于x264，并且能够节省将近50%的比特率。
编码时间：在相同条件下，x265的编码时间比x264增加了2到3倍。
编码质量与时间的权衡：x265虽然提供了更好的编码质量，但这是以增加编码时间为代价的。