姚俊伍 江蘇省廣播電視總臺新媒體事業(yè)部

基于H.265標(biāo)準(zhǔn)下的IPTV 4K編碼技術(shù)

姚俊伍 江蘇省廣播電視總臺新媒體事業(yè)部

H.265是ITU-T繼H.264之后制定的新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.265使用先進(jìn)技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)置。本文對該技術(shù)的內(nèi)容和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，對其在IPTV 4K業(yè)務(wù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

H.265 4K 編碼 IPTV

一、前言

隨著廣播電視技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶對視頻的質(zhì)量要求越來越高，從標(biāo)清到高清，從高清到4K乃至8K已成為了廣電行業(yè)發(fā)展的趨勢。在國內(nèi)IPTV市場，相關(guān)的運(yùn)營商、內(nèi)容商開始陸續(xù)開展4K業(yè)務(wù)，4K產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟。H.265標(biāo)準(zhǔn)已成為4K業(yè)務(wù)迅速發(fā)展的重大推動力。

二、4K和H.265編碼簡介

4K是新興的數(shù)字電影及數(shù)字內(nèi)容的分辨率標(biāo)準(zhǔn)，能夠更好展現(xiàn)畫面的細(xì)節(jié)，其UHDTV規(guī)格分辨率可以達(dá)3840×2160，最高的Full Aperture 4K（影院標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)格分辨率更是達(dá)到了4096×3112。相對現(xiàn)在主流1080P的 1920×1080分辨率，4K能夠提供4倍于HDTV的分辨率。

目前世界上的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)主要來自兩個組織，國際電聯(lián)ITU-T和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO，ITU的H.26x系列標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過了H.261，H.263，H.263+的發(fā)展過程。ISO的標(biāo)準(zhǔn)則是MPEG1，MPEG2到MPEG4，之后兩個標(biāo)準(zhǔn)化組織合作成立了JVT，推出了迄今為止最有效的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，H.264/AVC。但是ITU-T在H.264取得成功的時候就對視頻編解碼技術(shù)做了更長遠(yuǎn)的設(shè)想，規(guī)劃了新一代視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)H.265。

H.265又稱為HEVC（全稱High Efficiency Video Coding，高效率視頻編碼，本文統(tǒng)稱為H.265），是ITU-T H.264/MPEG-4 AVC標(biāo)準(zhǔn)的繼任者。2004年開始由ISO/IEC Moving Picture Experts Group（MPEG）和ITU-T Video Coding Experts Group作為ISO/IEC 23008-2 MPEG-H Part 2或稱作ITU-T H.265開始制定。第一版的HEVC/H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)在2013年4月13日被接受為國際電信聯(lián)盟（ITU-T）的正式標(biāo)準(zhǔn)。理論上H.265比H.264效率提高30-50%（尤其是在更高的分辨率情形下）。

H.265旨在在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻，僅需原先的一半帶寬即可播放相同質(zhì)量的視頻。這也意味著，智能手機(jī)、平板機(jī)等移動設(shè)備將能利用4G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)直接在線播放1080p的全高清視頻。H.265標(biāo)準(zhǔn)也同時支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清視頻?？梢哉f，H.265標(biāo)準(zhǔn)讓網(wǎng)絡(luò)視頻跟上了顯示屏“高分辨率化”的腳步。

H.264技術(shù)使高清1080P在全球得到廣泛應(yīng)用，但是4K的潮流，H.264卻難以繼續(xù)趕上。H.264視頻壓縮率技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)大的突破，隨著數(shù)字視頻應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，已無法滿足視頻壓縮和傳輸?shù)男枨?。尤其?K分辨率相比目前的高清1080P分辨率提高了4倍，即在同樣編碼格式下，碼率也會提高四倍，如果用H.264編碼，4K編碼的碼率將達(dá)到30Mbps以上。

隨著H.265技術(shù)日趨成熟，H.265超高的編碼特性能有效降低編碼碼率，能夠在H.264編碼的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低40%的碼率，即可以在15-20Mbps帶寬下實(shí)現(xiàn)4K的編碼，使得通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)傳輸4K視頻成為可能。H.265標(biāo)準(zhǔn)在同等的內(nèi)容質(zhì)量上會顯著減少帶寬消耗，H.265和4K的結(jié)合將推動4K業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展。

三、H.265標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢和關(guān)鍵技術(shù)

H.263可以2-4Mbps的傳輸速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)清晰度廣播級數(shù)字電視（符合CCIR601、CCIR656標(biāo)準(zhǔn)要求的720*576）；而H.264由于算法優(yōu)化，能以低于2Mbps的速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)清數(shù)字圖像傳送；H.265 High Profile 則可實(shí)現(xiàn)在低于1.5Mbps傳輸帶寬下，實(shí)現(xiàn)1080p全高清視頻傳輸。

H.265與H.264所采用的基礎(chǔ)框架類似，在各個主要的技術(shù)點(diǎn)上都進(jìn)行了改進(jìn)，尤其是引入了圖像塊自適應(yīng)四叉樹劃分，并采用一系列變尺度的圖像紋理特征自適應(yīng)編碼技術(shù)，較大幅度提升了圖像平坦區(qū)域的壓縮能力。各種先進(jìn)技術(shù)共同作用，使H.265獲得了性能的顯著提升。

3.1 四叉樹編碼結(jié)構(gòu)，擁有更大的宏塊和變換塊

相對于H.264的4×4、8×8、16×16宏塊類型，H.265引入了32×32、64×64甚至于128×128的宏塊，目的在于減少高清數(shù)字視頻的宏塊個數(shù)，減少用于描述宏塊內(nèi)容的參數(shù)信息，同時整形變換塊大小也相應(yīng)擴(kuò)大，用于減少H.264中變換相鄰塊間的相似系數(shù)。圖1為編碼單元、變換單元的四叉樹結(jié)構(gòu)關(guān)系圖，其中虛線為變換單元四叉樹分割，實(shí)線為編碼單元四叉樹分割，編號為各編碼單元的編碼順序。

圖1 四叉樹結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

圖2左圖是H.264標(biāo)準(zhǔn)，每個宏塊大小是固定的；右圖3是H.265標(biāo)準(zhǔn)，編碼單元大小是根據(jù)區(qū)域信息量決定的。

圖2 H.264標(biāo)準(zhǔn)，僅支持16×16宏塊

圖3 H.265標(biāo)準(zhǔn)，最高支持64×64宏塊

3.2 使用新的MV(運(yùn)動矢量)預(yù)測方式

區(qū)別于H.264基于空間域的運(yùn)動矢量預(yù)測方式，H.265擴(kuò)充更多的方向進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測，同時將預(yù)測塊的集合由原來的空間域擴(kuò)展到時間域及空時混合域，通過率失真準(zhǔn)則計(jì)算后選擇最佳的預(yù)測塊。使用該方法，采用基本模式環(huán)境測試，在與H.264相同質(zhì)量的情況下，得到平均為6.1%的壓縮增益，復(fù)雜圖像的壓縮增益甚至能提高20%。

圖4 MV運(yùn)動矢量預(yù)測方式

同時，H.265也采用了先進(jìn)的幀間預(yù)測技術(shù)，其中包括：

(1)廣義B預(yù)測技術(shù)

對傳統(tǒng)P幀采取雙向預(yù)測方式進(jìn)行預(yù)測，前向和后向參考列表中的參考圖像都必須為當(dāng)前圖像之前的圖像，且兩者為同一圖像，這種運(yùn)動預(yù)測方式增加了運(yùn)動估計(jì)的準(zhǔn)確度，提高了編碼效率。

(2)高精度運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)

H.265的編碼器內(nèi)部增加了像素比特深度，最大可支持12bit的解碼圖像輸出，提高了解碼圖像的信息精度。

(3)運(yùn)動融合技術(shù)

將以往跳過預(yù)測模式和直接預(yù)測模式的概念進(jìn)行整合。采用融合模式時，當(dāng)前PU塊的運(yùn)動信息都可以通過相鄰PU的運(yùn)動信息推導(dǎo)得到。編碼時，當(dāng)前PU塊只需要傳送融合標(biāo)記以及融合索引，無需傳送運(yùn)動信息。

3.3 環(huán)路濾波

環(huán)路濾波包括3個環(huán)節(jié)：

(1)去塊濾波

在H.264的去塊濾波技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，但為了降低復(fù)雜度，目前的HM模型取消了對4x4塊的去塊濾波。

(2)采樣點(diǎn)自適應(yīng)偏移

(3)自適應(yīng)環(huán)路濾波

3.4 H.265更快、更強(qiáng)

高清視頻在生活中的的應(yīng)用越來越普及，由此帶來了存儲成本與存儲空間的急劇上升。與正在使用的H.264編碼技術(shù)相比，H.265的高壓縮率特性能夠節(jié)省一半左右的存儲空間，從而顯著降低了視頻的存儲成本。H.265和H.264的技術(shù)特點(diǎn)比較見表1。

表1 H.265和H.264的技術(shù)特點(diǎn)比較

H.265和H.264編碼能力的對比見表2。

表2 H.265和H.264編碼能力的對比

H.265擁有更低的傳輸碼率。同等圖像質(zhì)量下，數(shù)據(jù)量只有MPEG2的1/16，MPEG4的1/6，H.264的 1/2。圖5是同等圖像質(zhì)量的數(shù)據(jù)量比較。

圖5 同等圖像質(zhì)量的數(shù)據(jù)量比較

H.265和H.264壓縮能力的對比見表3。

表3 H.265和H.264壓縮能力對比

四、應(yīng)用與展望

江蘇廣電總臺IPTV運(yùn)營部與電信運(yùn)營商合作，通過搭建超高清直播傳輸及信號播控系統(tǒng)，對2015年足協(xié)杯決賽首場比賽、江蘇衛(wèi)視跨年演唱會進(jìn)行了基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的4K直播，這是國內(nèi)IPTV平臺中首次進(jìn)行的4K超高清直播的嘗試。相比高清直播，4K超高清直播展現(xiàn)的更加細(xì)膩真實(shí)的畫面，贏得了運(yùn)營商和用戶的一致好評。IPTV運(yùn)營部還于2015年6月，正式推出基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的江蘇IPTV 4K點(diǎn)播業(yè)務(wù)，短短數(shù)月內(nèi)發(fā)展迅猛，用戶數(shù)量直線上升。目前4K點(diǎn)播專區(qū)已有4K點(diǎn)播節(jié)目300余部，省內(nèi)已擁有近百萬4K用戶。

在IPTV業(yè)務(wù)高清化、4K化不斷發(fā)展的趨勢下，對于網(wǎng)絡(luò)帶寬、存儲空間都提出了新的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)視頻業(yè)務(wù)已占據(jù)了運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)流量中最大的份額。江蘇廣電總臺IPTV運(yùn)營部目前每年電視節(jié)目內(nèi)容的生產(chǎn)存儲量在80-90T左右，這一數(shù)字每年還在不斷增長中。因此，在IPTV業(yè)務(wù)的發(fā)展過程中，如何采用更加高效的視頻壓縮技術(shù)，確保較經(jīng)濟(jì)的存儲成本，在有限的帶寬下獲得更好的視頻質(zhì)量和流暢度，將決定業(yè)務(wù)發(fā)展的優(yōu)劣。H.265無疑是解決這一問題的關(guān)鍵，對于推動IPTV 4K業(yè)務(wù)的發(fā)展有重大的意義。