H.265：网络视频的高清时代

去年八月，爱立信公司推出了首款H.265编解码器，而在仅仅六个月之后，国际电联（ITU）就正式批准通过了HEVC/H.265标准，标准全称为高效视频编码（High Efficiency Video Coding），相较于目前的H.264标准有了相当大的改善。H.265旨在在有限带宽下传输更高质量的网络视频，仅需原先的一半带宽，即可播放相同质量的视频。这也意味着我们的移动设备（手机、平板电脑）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4K（4096×2160）和8K（8192×4320）超高清视频，可以说，H.265标准让网络视频跟上了显示屏“高分辨率化”的脚步，可能在几个月内，你就能看到支持H.265解码的设备上市了（如智能手机、显卡等）。H.264统治了过去的五年，而未来的五年甚至十年，H.265很可能将会成为主流。

为什么H.265优于H.264

在讨论H.265有哪些提升和优点之前，我们不妨先来了解一下H.264。

H.264，也称作MPEG-4 AVC（Advanced Video Codec，高级视频编码），是一种视频压缩标准，同时也是一种被广泛使用的高精度视频的录制、压缩和发布格式。H.264因其是蓝光光盘的一种编解码标准而著名，所有蓝光播放器都必须能解码H.264。更重要的是，因为苹果公司当初毅然决然抛弃了Adobe的VP6编码，选择了H.264，这个标准也就随着数亿台iPad和iPhone走入了千家万户，成为了目前视频编码领域的绝对霸主，占有超过80%的份额。H.264也被广泛用于网络流媒体数据、各种高清晰度电视陆地广播以及卫星电视广播等领域。

​H.264相较于以前的编码标准有着一些新特性，如多参考帧的运动补偿、变块尺寸运动补偿、帧内预测编码等，通过利用这些新特性，H.264比其他编码标准有着更高的视频质量和更低的码率，也因此受到了人们的认可。

H.265/HEVC的编码架构大致上和H.264/AVC的架构相似，主要也包含：帧内预测(intra prediction)、帧间预测(inter prediction)、转换 (transform)、量化 (quantization)、去区块滤波器(deblocking filter)、熵编码(entropy coding)等模块。但在HEVC编码架构中，整体被分为了三个基本单位，分別是：编码单位(coding unit,CU)、预测单位(predict unit,PU) 和转换单位(transform unit,TU )。

比起H.264/AVC，H.265/HEVC提供了更多不同的工具来降低码率，以编码单位来说，H.264中每个宏块(marcoblock,MB)大小都是固定的16x16像素，而H.265的编码单位可以选择从最小的8x8到最大的64x64。以下图为例，信息量不多的区域（颜色变化不明显，比如车体的红色部分和地面的灰色部分）划分的宏块较大，编码后的码字较少，而细节多的地方（轮胎）划分的宏块就相应的小和多一些，编码后的码字较多，这样就相当于对图像进行了有重点的编码，从而降低了整体的码率，编码效率就相应提高了。同时，H.265的帧内预测模式支持33种方向（H.264只支持8种）,并且提供了更好的运动补偿处理和矢量预测方法。

反复的质量比较测试已经表明，在相同的图象质量下，相比于H.264，通过H.265编码的视频大小将减少大约39-44%。由于质量控制的测定方法不同，这个数据也会有相应的变化。通过主观视觉测试得出的数据显示，在码率减少51-74%的情况下，H.265编码视频的质量还能与H.264编码视频近似甚至更好，其本质上说是比预期的信噪比（PSNR）要好。这些主观视觉测试的评判标准覆盖了许多学科，包括心理学和人眼视觉特性等，视频样本非常广泛，虽然它们不能作为最终结论，但这也是非常鼓舞人心的结果。

H.264与H.265编码视频的主观视觉测试对比，我们可以看到后者的码率比前者大大减少了

目前的HEVC标准共有三种模式：Main,Main 10和Main Still Picture。Main模式支持8bit色深（即红绿蓝三色各有256个色度，共1670万色），Main 10模式支持10bit色深，将会用于超高清电视（UHDTV）上。前两者都将色度采样格式限制为4:2:0。预期将在2014年对标准有所扩展，将会支持4:2:2和4:4:4采样格式（即提供了更高的色彩还原度），和多视图编码（例如3D立体视频编码）。

事实上，H.265和H.264标准在各种功能上有一些重叠。例如，H.264标准中的Hi10P部分就支持10bit色深的视频。另一个H.264的部分（Hi444PP）还可以支持4:4:4色度抽样和14比特色深。在这种情况下，H.265和H.264的区别就体现在前者可以使用更少的带宽来提供同样的功能，其代价就是设备计算能力：H.265编码的视频需要更多的计算能力来解码。目前已经有支持H.265解码的芯片发布了——美国博通公司（Broadcom）在今年1月初的CES大展上发布了一款Brahma BCM7445芯片，它是一个采用28纳米工艺的四核处理器，可以同时转码四个1080P视频数据流，或解析分辨率为4096×2160的H.265编码超高清视频。

H.265的未来

对于普通消费者来说，更关心的肯定是还要多久才能买到支持H.265/HEVC解码的设备。这就要取决于很多因素了。AMD和Nvidia等显卡巨头可能会在相当短的时间内整合H.265，尽管H.265还有许多新功能尚未添加。第一代芯片可能只适用于刚定案的标准，待将来扩展完成后，还会做出支持H.265多视图解码的版本。

由于不同的公司对于H.264视频的解码能力不同，就设备级的兼容性而言，我们可能会看到一些“忽悠人”的信息。比如，那些CPU足够强大，可以强行通过计算能力实现H.265视频解码的智能手机或平板电脑就能被宣传成“支持H.265视频解码”，而这样的“支持”则会使它们在处理视频时耗电急剧增加。肯定会出现一些无良公司，大肆宣扬H.265云云，将这个新的视频标准当做是一个区别设备级别的噱头，这样就可以把尚未真正支持H.265解码的视频卖给不明真相的消费者。而实际上，这些内容又会是由各大媒体和广告公司负责制作，所以其中内幕就更加复杂了。

目前，有线电视和数字电视广播主要采用仍旧是MPEG-2标准。好消息是，H.265标准的出台最终可以说服广播电视公司放弃垂垂老矣的MPEG-2，因为同样的内容，H.265可以减少70-80%的带宽消耗。这就可以在现有带宽条件下轻松支持全高清1080P广播。但是另一方面，电视广播公司又很少有想要创新的理由，因为大多数有线电视公司在他们的目标市场中面临的竞争实在是有限。出于节省带宽的目的，反而是卫星电视公司可能将会率先采用H.265标准。

从长远角度看，H.265标准将会成为超高清电视（UHDTV）的4K和8K分辨率的选择。但这也会带来其它问题。目前，还极少有原生4K分辨率的视频内容。H.265标准的完成意味着内容拥有者现在已经有了一个对应的理论标准，但是他们现在还没有一个统一的方式来传送内容。索尼正在计划一个4K电影数字传送服务，供那些购买索尼4K电视的顾客使用，并且还在今年推出了名为“Mastered in 4K”的高清蓝光DVD播放器。这些1080p的影片是从4K数字母版转换而来，并且将来有望推出质量更好的“近4K体验”。

标清（SD），高清（HD）和8K分辨率超高清（UHD）视频大小对比图

蓝光光盘协会（The Blu-ray Disc Association）正在研究在蓝光光盘标准中支持4K分辨率视频的方法，但是这可没那么简单。理论上H.264在扩展后就可以拥有这个功能，但是到那时码率问题又会浮出水面。一个H.264编码的4K蓝光电影需要的存储空间远大于相同内容的H.265版本，其大小可高达100G以上，而现有的播放器也不支持100-128GB的高容量可刻录可擦写光盘（ BDXL）。

到目前为止，仍然没有一个妥善解决方案，可以将4K分辨率视频加入已有的蓝光标准中并且不破坏其兼容性。虽然更新到H.265标准并不需要对光盘制造工艺进行改进，但却需要制造全新的播放器才能将新的蓝光光盘播放出来，虽然现在的有些播放器可以播放高密度光盘，但那也需要进行设备检查升级才行。

另一个大问题就是游戏主机对H.265标准的支持。索尼的PS2和PS3主机推动了DVD和蓝光标准的发展。而即将发布的PS4理论上很可能将支持4K分辨率的内容，但4K分辨率的视频该怎样传送，通过哪些标准进行支持？这仍然还在讨论中。

目前看来，对于H.265/HEVC标准，我们仍需持谨慎乐观态度。但有一点是肯定的：H.265标准在同等的内容质量上会显著减少带宽消耗，有了H.265，高清1080P电视广播和4K视频的网络播放将不在困难，但前提是索尼或者其它媒体巨头能想出办法来传送这些内容。同时，如果移动设备要采用H.265标准，那么其在解码视频时对电量的高消耗也是各大厂商需要解决的问题

参考资料

1. H.265 standard finalized, could finally replace MPEG-2 and usher in UHDTV Joel Hruska
2. http://zh.wikipedia.org/wiki/H.264/MPEG-4_AVC
3. http://en.wikipedia.org/wiki/High_Efficiency_Video_Coding
4. 《HEVC之高效率編碼單位深度和預測單位模式快速決策演算法》  陈鹤元

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