徐劍烈

H.264向H.265的數(shù)字視頻壓縮技術(shù)升級(jí)研究

徐劍烈

（北海邊防檢查站，北海 536000）

本文主要基于H.264對H.265標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了分析，明確了H.264標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)為H.265的必然趨勢，展現(xiàn)了未來數(shù)字壓縮技術(shù)的特征。

數(shù)字視頻壓縮技術(shù)；H.265標(biāo)準(zhǔn)；核心技術(shù)

為了能夠更好地滿足現(xiàn)代視頻需求，在近20年的時(shí)間里，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織以及電信聯(lián)盟組織紛紛針對視頻編碼出臺(tái)了各種標(biāo)準(zhǔn)，如H.261，H.264等。其中，H.264是2003年經(jīng)聯(lián)合視頻組開發(fā)的一種新的視頻標(biāo)準(zhǔn)，主要用于進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)傳輸。H.264以其優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性和視頻壓縮特性，受到了數(shù)字電視廣播、網(wǎng)絡(luò)視頻流媒體以及視頻實(shí)時(shí)通信等各應(yīng)用領(lǐng)域的共同認(rèn)可，并隨之發(fā)展成為了最主要的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)[1]。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和終端的持續(xù)發(fā)展，其針對視頻編碼要求也表現(xiàn)為逐步提升，為了能夠達(dá)到各項(xiàng)新要求，對H.264進(jìn)行完善非常有必要。為了能夠打破H.264現(xiàn)有的局限性，2010年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織與國際電信協(xié)會(huì)等組織成立了聯(lián)合組織，并就數(shù)字視頻壓縮技術(shù)H.264進(jìn)行了升級(jí)，提出了H.265。H.265的概念是只需要耗費(fèi)一半的帶寬，即可獲得同等質(zhì)量的視頻，這就意味著人們可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高清視頻的在線播放，同時(shí)也意味著數(shù)字視頻壓縮技術(shù)將不斷朝著高清晰發(fā)展。

1 H.265核心技術(shù)

1.1 簡單靈巧的塊結(jié)構(gòu)RQT

RQT是一種能夠自適應(yīng)的變換技術(shù)，其主要源

自H.264標(biāo)準(zhǔn)中的ABT技術(shù)。就幀間編碼而言，其在對相關(guān)變換塊大小進(jìn)行處理時(shí)，主要結(jié)合運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊的大小來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的調(diào)整；而從幀內(nèi)編碼來看，其在對相應(yīng)變換塊大小適應(yīng)性進(jìn)行調(diào)整時(shí)，主要通過幀內(nèi)預(yù)測殘差的特性來實(shí)現(xiàn)。針對較大的塊主要由較大塊變換而來，其能夠更好地實(shí)現(xiàn)對能量的集中，同時(shí)在進(jìn)行量化處理之后，也能夠保留更多的圖像細(xì)節(jié)，但在進(jìn)行量化處理之后，也會(huì)隨之出現(xiàn)較大的振鈴效應(yīng)。為此，根據(jù)當(dāng)前塊信號(hào)特征，來合理選擇變換塊自適應(yīng)大小。

1.2 簡單靈巧的編碼結(jié)構(gòu)

在H.265標(biāo)準(zhǔn)中，主要是基于H.264的宏塊大小來實(shí)現(xiàn)從16×16的擴(kuò)展，從而達(dá)到64×64，根本目的是能夠?qū)崿F(xiàn)對高清數(shù)字視頻宏塊個(gè)數(shù)的減少，從而實(shí)現(xiàn)對宏塊內(nèi)容相關(guān)參數(shù)信息的有效減少，更利于對高分辨率視頻的壓縮。與此同時(shí)，為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)對編碼效率的提升，其主要采取了較為靈活的編碼結(jié)構(gòu)，包括了預(yù)測單元、變換單元和編碼單元。其中，預(yù)測單元主要是用于對基本單元進(jìn)行預(yù)測；變換單元主要是實(shí)現(xiàn)對基本單元進(jìn)行量化和變換；編碼單元?jiǎng)t與H.264中的宏塊概念非常接近，主要用于進(jìn)行編碼。上述三個(gè)不同的單元之間，呈現(xiàn)為相互分離，這就使得預(yù)測、變換以及編碼之間的處理環(huán)節(jié)更為簡便和靈活，也能夠確保各個(gè)單元能夠做好相應(yīng)的工作[2]。

1.3 自適應(yīng)環(huán)路濾波

在編解碼環(huán)路中，自適應(yīng)環(huán)路濾波主要處于Deblock與SAO之間，能夠?qū)崿F(xiàn)對此重構(gòu)圖像的恢復(fù)處理，從而促使原始圖像與重構(gòu)圖像之間存在的均方誤差值能夠控制到最小。在幀級(jí)傳輸和計(jì)算的過程中，能夠在整幅幀中應(yīng)用適應(yīng)環(huán)路濾波，還能夠結(jié)合部分塊部分區(qū)域來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)環(huán)路濾波。

1.4 并行化運(yùn)算設(shè)計(jì)

截至目前，芯片架構(gòu)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展下，已逐步從簡單的單核發(fā)展成為當(dāng)下的多核，為了能夠促使芯片的并行化程度得到有效提升，H.265標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用了大量的并行運(yùn)算的改進(jìn)處理方法。

（1）Entropy Slice。在Slice中Entropy Slice能夠?qū)ζ溥M(jìn)行多個(gè)區(qū)域的劃分，從而獲得多個(gè)Entropy Slice。而獲得的每一個(gè)Entropy Slice均能夠?qū)崿F(xiàn)對編解碼的獨(dú)立操作，從而促使編解碼器的并行處理效率因此得到顯著提升。

（2）Tile。能夠?qū)D像進(jìn)行垂直、水平的邊界劃分處理，以此獲得大量行與列，Tile就是這樣來實(shí)現(xiàn)對一個(gè)矩形區(qū)域有效劃分的，在每一個(gè)Tile中均能夠獲得一個(gè)整數(shù)的Largest Coding Unit （LCU）。而Tile與Tile之間均相對獨(dú)立，從而實(shí)現(xiàn)并行的有效處理。

（3）Wavefront Parallel Processing（WPP）。在進(jìn)行上一行第二個(gè)LCU的處理之后，就已經(jīng)對當(dāng)前行的第一個(gè)LCU的熵編碼（CABAC）概率狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行了初始化的編碼處理。為此，若在這個(gè)過程中，上一行第二個(gè)LCU完成了處理，就能夠?qū)Ξ?dāng)前行實(shí)施編解碼操作，并從中獲得較高的并行處理能力。

表1 H.264與H.265關(guān)鍵性能比較

1.5 優(yōu)化H.264標(biāo)準(zhǔn)中特點(diǎn)

H.265標(biāo)準(zhǔn)是基于H.264的基礎(chǔ)上的，對其算法進(jìn)行了復(fù)雜化處理，從而獲得相應(yīng)的壓縮性能。在很多方面，H.265標(biāo)準(zhǔn)都作出了極大程度上的優(yōu)化處理，具體優(yōu)化內(nèi)容見表1。

2 H.265數(shù)字視頻壓縮技術(shù)的應(yīng)用

基于H.264標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，逐漸向H.265升級(jí)是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢，而根據(jù)當(dāng)前H.264數(shù)字視頻壓縮技術(shù)的應(yīng)用情況來看，H.265未來必然有著較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

截至目前，已經(jīng)有大量國外的編碼解碼設(shè)備廠商，已經(jīng)開始加強(qiáng)了對H.265的升級(jí)研究。而國內(nèi)的廠商也在實(shí)現(xiàn)對H.265的快速升級(jí)。例如：PPS與迅雷看看就相繼推出了用于支持H.265標(biāo)準(zhǔn)的客戶端，并逐漸將其運(yùn)用到移動(dòng)客戶端，用戶能夠經(jīng)由平板電腦以及手機(jī)客戶端即可獲得由H.265所帶來的便利和高清效果。但移動(dòng)設(shè)備要實(shí)現(xiàn)對H.265標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)用，仍然需要芯片廠商努力。相較于視頻播放效果，H.265的播放清晰度更高，并且是當(dāng)前播放清晰度的一倍左右。伴隨著用戶對視頻播放體驗(yàn)要求的不斷提升，H.265技術(shù)作為H.264標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，其勢必會(huì)成為未來視頻網(wǎng)站紛紛爭奪的關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)也是各家占領(lǐng)市場的關(guān)鍵產(chǎn)品。

3 結(jié)束語

總之，隨著H.264的持續(xù)發(fā)展，其升級(jí)為H.265數(shù)字視頻壓縮技術(shù)是信息技術(shù)和時(shí)代發(fā)展的必然趨勢，其能夠?qū)⒁曨l編解碼應(yīng)用和理論均推向一個(gè)更高的領(lǐng)域，為廣大用戶帶來更好的視頻體驗(yàn)。

[1] 何海東，董全武，紀(jì)琳．H.265/HEVC、VP9、H.264編碼算法比較及性能測試分析[J]．廣播與電視技術(shù)，2014,(10):47-52

[2] 李家森．淺談數(shù)字視頻壓縮技術(shù)[J]．科技資訊，2010,(15):11

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.07.005

TN919.8文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）07-0012-02

徐劍烈，男，漢族，1972年生，廣西省北海市人，大學(xué)學(xué)歷，北海邊防檢查站工程師，主要從事研究方向?yàn)閿?shù)字通信、安防監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)安全。