屈竹杰

關(guān)鍵編碼特征比較

H.265所面臨的挑戰(zhàn)

與之前從H.261到H.264的其他標(biāo)準(zhǔn)相比，H.265的顯著改善不僅表現(xiàn)在幀間壓縮領(lǐng)域，還表現(xiàn)在幀內(nèi)壓縮方面。由于可變量的尺寸轉(zhuǎn)換，H.265在塊壓縮方面有很大的改善，但是增加壓縮效率的同時(shí)也帶來(lái)了一些新挑戰(zhàn)。

困難的場(chǎng)景

視頻編碼是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)于內(nèi)容的依賴性很高。眾所周知，有靜態(tài)背景和高亮的低動(dòng)態(tài)場(chǎng)景可以比高動(dòng)態(tài)、黑場(chǎng)的圖片進(jìn)行更多的壓縮。所以對(duì)于像H.264這樣的現(xiàn)代化編解碼器來(lái)說(shuō)首要解決的是最困難的場(chǎng)景/情境。包括：

有細(xì)節(jié)的關(guān)鍵幀：無(wú)論怎么計(jì)算，壓縮關(guān)鍵幀都是非常困難的，特別是當(dāng)圖像特征豐富的時(shí)候（如一片森林）。如果關(guān)鍵幀從一個(gè)安靜場(chǎng)景開(kāi)始，低動(dòng)態(tài)上的高效動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)整體的有效壓縮，但是如果圖像組之間突然增加了復(fù)雜性，編碼器很容易就會(huì)遭遇危機(jī)。

高動(dòng)態(tài)的“勾邊（crisp）”圖像：預(yù)測(cè)高度復(fù)雜的動(dòng)態(tài)是相當(dāng)困難的。當(dāng)它與高空間復(fù)雜性混在一起，將會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的比特率飆升和/或越來(lái)越多的偽影。

黑暗區(qū)域的慢動(dòng)態(tài)：對(duì)黑暗區(qū)域編碼是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)檠劬υ诿髁镰h(huán)境要比黑暗環(huán)境更敏感。此外，如果你增加了帶有紋理物體或煙霧或顏色、陰影細(xì)微改變的慢動(dòng)作場(chǎng)景，那么即使使用了自適應(yīng)量化或類似的優(yōu)化，也非常容易看到討厭的偽影。

噪聲/紋理：噪聲幾乎是不能被明顯壓縮的。幸運(yùn)的是眼睛對(duì)于平坦區(qū)域和黑暗區(qū)域等圖像特定區(qū)域的紋理和噪音更加敏感，而對(duì)于明亮和細(xì)節(jié)區(qū)域的敏感度更低，所以智能的編解碼器可以給這些更有需要的區(qū)域多留些預(yù)算。盡管如此，去壓縮噪聲內(nèi)容非常困難，特別是快速移動(dòng)場(chǎng)景中的噪聲。被壓縮的噪聲很容易被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樵诘皖l創(chuàng)建了一個(gè)丑陋的模型，并干擾了運(yùn)動(dòng)估計(jì)/補(bǔ)償。降噪并不總是適合或者緊迫的，而且不幸的是，在HEVC規(guī)范中，重放期間的噪聲建模和重建繼續(xù)成為一個(gè)“選項(xiàng)”。

如上所述，H.265在幀內(nèi)編碼方面效率更高，所以細(xì)節(jié)區(qū)域可以被編碼得更好，在平滑區(qū)域和漸變區(qū)域也是如此。與H.264相比，H.265的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和壓縮更有效，而且在偽影出現(xiàn)前可以在更低的比特率上操作。好消息是，H.265產(chǎn)生的偽影更加“平滑”，質(zhì)量的降低也非常協(xié)調(diào)，即便對(duì)非常激進(jìn)的分辨率/比特率編碼時(shí)，也觀感良好。

然而，正如硬幣的兩面，當(dāng)處理最后兩種問(wèn)題時(shí)，H.265的優(yōu)勢(shì)也會(huì)變成弱勢(shì)。黑暗區(qū)域和噪聲/紋理要求更精確的高頻保留和更小的色階變化。這通常被稱之為編碼的心理優(yōu)化。

由于H.264使用小的轉(zhuǎn)換，可以輕松將量化誤差變成特征/細(xì)節(jié)，雖然與原始內(nèi)容不同，但是感覺(jué)上“近似”。接近原生頻率范圍的誤差生成可以通過(guò)小的邊界轉(zhuǎn)換來(lái)阻止，因此也更加可控。而更大轉(zhuǎn)換的H.265要使用這種方式則會(huì)更加復(fù)雜。

H.265編碼視頻的存儲(chǔ)依然是個(gè)問(wèn)題，即使藍(lán)光光盤協(xié)會(huì)正在尋求一個(gè)能夠在藍(lán)光光盤上存儲(chǔ)4K視頻的解決方案。只有至少達(dá)到100GB容量的光碟才能存儲(chǔ)H.264編碼的藍(lán)光4K電影。而另一方面，即使H.265編碼和芯片部件已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，但是仍然缺少支持4K內(nèi)容的存儲(chǔ)和重放解決方案，并且要能夠兼容現(xiàn)有的藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)。這也是H.265發(fā)展中的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。

那么問(wèn)題又來(lái)了，今天，我們應(yīng)該如何對(duì)待H.264和H.265呢？

基于上述原因，在需要編碼特征豐富的關(guān)鍵幀和高動(dòng)態(tài)提供低碼率上更平滑質(zhì)量退化的情況下，好的H.265編碼器要優(yōu)于好的H.264編碼器。

與此同時(shí)，在黑暗區(qū)域和有噪聲和紋理的畫(huà)面中，一個(gè)好的H.264編碼器仍然能夠提供同樣的質(zhì)量甚至更好的質(zhì)量。

這并不是說(shuō)H.264比H.265更好，但是可以看到的是今日的編碼器發(fā)展水平還不夠成熟。對(duì)于4K來(lái)說(shuō)也是這樣。即使在復(fù)雜情況下也要提供高質(zhì)量的必要性迫使內(nèi)容提供商愿意在4K媒體流中使用更高的比特率。

一般而言，今天我們用H.264在1080p@3-4Mbit/s上實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量可以匹敵H.265在2-2.5Mbit/s上所能實(shí)現(xiàn)的。但是困難之處在于需要在壓縮過(guò)程中投入更多注意力。例如，很多客戶不能接受某些畫(huà)面瑕疵，特別是在大尺寸4K顯示器上進(jìn)行全屏重放時(shí)。

除了質(zhì)量評(píng)估外，H.265的主要問(wèn)題還在于今日解碼器的一般性能。由于H.265是更強(qiáng)的處理器，所以別指望簡(jiǎn)單的固件升級(jí)就能夠讓你的設(shè)備解碼它。有時(shí)候還需要硬件解碼器。未來(lái)，市場(chǎng)很多系統(tǒng)芯片都將可以解碼H.265，我們可以看到H.265會(huì)出現(xiàn)在iOS和安卓平臺(tái)上，但是對(duì)于瀏覽器來(lái)說(shuō)還是個(gè)問(wèn)題。

H.265 PK VP9

在H.265大步向前的同時(shí)，谷歌VP8的繼任者VP9也已推出，同樣在VP8的基礎(chǔ)上號(hào)稱編碼效率提高50%，支持8K內(nèi)容。VP9是一個(gè)開(kāi)源和免費(fèi)的規(guī)格，是WebM架構(gòu)的一部分。谷歌已經(jīng)在Chrome瀏覽器和YouTube中整合支持VP9。

H.265可以抓取16×16個(gè)像素“宏塊”，可實(shí)現(xiàn)35個(gè)幀間預(yù)測(cè)方向來(lái)重建它們。VP9在表面上類似，它同樣可以抓取64×64個(gè)超級(jí)塊，但是與H.265不同的是，它不一定是平方形式的，所以它可以以64×32或4×8的塊來(lái)采樣，實(shí)現(xiàn)更大的效益。但另一方面，它只有10個(gè)預(yù)測(cè)模式來(lái)重建它們。

兩者都很大程度上簡(jiǎn)化了現(xiàn)有這些格式，盡管實(shí)現(xiàn)了相近的文件尺寸，有初步的報(bào)告認(rèn)為，H.265有更高的圖像質(zhì)量，而VP9對(duì)于流媒體來(lái)說(shuō)更加可靠。H.265更大的預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)了邊緣可視化，而VP9實(shí)施更嚴(yán)格的編碼規(guī)則，似乎可以讓流媒體更加連貫和可靠。

H.265與VP9的比較有一點(diǎn)類似于HDMI與DisplayPort的比較。后者以版權(quán)免費(fèi)的方式去爭(zhēng)取一席空間，但是前者的無(wú)處不在的應(yīng)用意味著它會(huì)有更廣泛的行業(yè)支持。這也是之前H.264輕松打敗VP8的原因。

VP9版權(quán)免費(fèi)是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但是谷歌最終還是要推動(dòng)大家來(lái)使用它。這是他們面對(duì)的一大問(wèn)題。其最大的成本在于終端用戶觀看視頻方面，但是用戶本身是不需要版權(quán)費(fèi)的，而用于播放視頻的硬件和軟件最直接的定義了它們的視頻格式。幾乎沒(méi)有用戶會(huì)去選擇重放視頻的格式。谷歌需要讓瀏覽器和重放軟件支持VP9?，F(xiàn)在Chrome和Firefox都支持WebM，但是Safari和Internet還沒(méi)有支持。谷歌VP9的主要目標(biāo)或許在硬件方面多于在軟件方面，現(xiàn)在已經(jīng)得到多個(gè)硬件供應(yīng)商支持，包括：LG、松下、索尼、三星、東芝、飛利浦、夏普、ARM、英特爾、Nvidia、Qualcomm、MozilIa等行業(yè)領(lǐng)袖。但另一方面，所有這些公司都支持H.265，即便是谷歌也會(huì)在Chorme上支持H.265，而且YouTube也不排除會(huì)支持它。可以說(shuō)，很多公司以及大部分設(shè)備都會(huì)同時(shí)支持兩種格式。這對(duì)于大家是個(gè)好消息。

有趣的是，第三個(gè)壓縮格式也在規(guī)劃之中，Xjph.Org基金會(huì)開(kāi)發(fā)了“DaaIa”，雖然它還比較遙遠(yuǎn)，但是Xiph稱其將是性能超越H.265和VP9的新一代規(guī)格。

H.205的未來(lái)

高像素?cái)?shù)量導(dǎo)致需要更復(fù)雜的編解碼器來(lái)最小化帶寬需求。持續(xù)連接PC或TV，平滑處理4K信號(hào)的最小碼流是20Mbit/s，例如Netflix要求用戶的互聯(lián)網(wǎng)連接至少提供持續(xù)的25Mbit/s帶寬量。20到25Mbit/s代表帶寬的巨大改善，原生的、非壓縮的4K視頻需要在60Mbit/s的帶寬上才會(huì)有好的表現(xiàn)。

對(duì)于大多數(shù)的行業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，H.265就是解決這一問(wèn)題的答案之一，但是也要付出一定代價(jià)：顯著增加的算法復(fù)雜性據(jù)說(shuō)需要10倍目前2K部署所用H.264編解碼器的計(jì)算能力來(lái)支撐，而提供這種能力所需的硅也遠(yuǎn)非一個(gè)簡(jiǎn)單的商品條目。

很多制造商希望在上游芯片和IC技術(shù)供應(yīng)商的努力之下，解決成本和功能不平衡的問(wèn)題，讓H.265快速取代H.264。就目前來(lái)看，H.265在廣電領(lǐng)域已經(jīng)有比較好的發(fā)展。盡管大多數(shù)有線和數(shù)字電視廣播公司仍然使用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，但好消息是，一些電視廣播公司在HDTV應(yīng)用中，已經(jīng)用H.265代替MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)镠.265降低了70-80%的帶寬消耗，可以在現(xiàn)有帶寬條件下支持全高清的1080p廣播。與有線電視相比，衛(wèi)星電視提供商采用H.265更早。H.265可能將成為4K和8K的最終解決方案選擇。在今年的NAB上，NeuLion公司已與LG電子續(xù)簽協(xié)議，讓LG在其超高清電視機(jī)產(chǎn)品系列中集成DivX HEVC解決方案，實(shí)現(xiàn)4K視頻流媒體播放。

H.265已經(jīng)是電視和視頻發(fā)展的未來(lái)，但是否也會(huì)成為專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的主流規(guī)范還存有疑問(wèn)。因?yàn)榘卜辣O(jiān)控領(lǐng)域等專業(yè)領(lǐng)域不僅受制于上述挑戰(zhàn)，而且還要看終端用戶臉色。對(duì)于項(xiàng)目化的專業(yè)用戶和需要監(jiān)控的一般消費(fèi)者而言，平安城市、交通監(jiān)測(cè)和銀行監(jiān)控這類專業(yè)用戶需要更加穩(wěn)定和可靠的系統(tǒng)。他們中大多數(shù)已經(jīng)在使用現(xiàn)有的技術(shù)，對(duì)于是否采用H.265還心存猶豫，這就需要更長(zhǎng)的驗(yàn)證周期。

另一方面，中小企業(yè)和家庭、零售用戶等消費(fèi)者需要低安裝成本，因此更加傾向于采用新技術(shù)?；谶@個(gè)原因，H.265可能首先在中小企業(yè)應(yīng)用中獲得成功，并在消費(fèi)者市場(chǎng)獲得認(rèn)可。如果H.265標(biāo)準(zhǔn)快速成熟，其壓縮效率比H.264提升50%，它就能夠節(jié)省20%的投資，保證更高的性能和更替的網(wǎng)絡(luò)及穩(wěn)定的系統(tǒng)建設(shè)成本。