H.265：網(wǎng)絡視頻的高清時代

　　去年八月，愛立信公司推出了首款H.265編解碼器，而在僅僅六個月之后，國際電聯(lián)（ITU）就正式批準通過了HEVC/H.265標準，標準全稱為高效視頻編碼（High Efficiency Video Coding），相較于目前的H.264標準有了相當大的改善。H.265旨在在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡視頻，僅需原先的一半帶寬，即可播放相同質(zhì)量的視頻。這也意味著我們的移動設備（手機、平板電腦）將能夠直接在線播放全高清（1080P）視頻。而H.265標準也同時支持4K（4096×2160）和8K（8192×4320）超高清視頻，可以說，H.265標準讓網(wǎng)絡視頻跟上了顯示屏“高分辨率化”的腳步，可能在幾個月內(nèi)，你就能看到支持H.265解碼的設備上市了（如智能手機、顯卡等）。H.264統(tǒng)治了過去的五年，而未來的五年甚至十年，H.265很可能將會成為主流。

　　為什么H.265優(yōu)于H.264

　　在討論H.265有哪些提升和優(yōu)點之前，我們不妨先來了解一下H.264。

　　H.264，也稱作MPEG-4 AVC（Advanced Video Codec，高級視頻編碼），是一種視頻壓縮標準，同時也是一種被廣泛使用的高精度視頻的錄制、壓縮和發(fā)布格式。H.264因其是藍光光盤的一種編解碼標準而著名，所有藍光播放器都必須能解碼H.264。更重要的是，因為蘋果公司當初毅然決然拋棄了Adobe的VP6編碼，選擇了H.264，這個標準也就隨著數(shù)億臺iPad和iPhone走入了千家萬戶，成為了目前視頻編碼領(lǐng)域的絕對霸主，占有超過80%的份額。H.264也被廣泛用于網(wǎng)絡流媒體數(shù)據(jù)、各種高清晰度電視陸地廣播以及衛(wèi)星電視廣播等領(lǐng)域。

　　?H.264相較于以前的編碼標準有著一些新特性，如多參考幀的運動補償、變塊尺寸運動補償、幀內(nèi)預測編碼等，通過利用這些新特性，H.264比其他編碼標準有著更高的視頻質(zhì)量和更低的碼率，也因此受到了人們的認可。

　　H.265/HEVC的編碼架構(gòu)大致上和H.264/AVC的架構(gòu)相似，主要也包含：幀內(nèi)預測（intra prediction）、幀間預測（inter prediction）、轉(zhuǎn)換 （transform）、量化 （quantization）、去區(qū)塊濾波器（deblocking filter）、熵編碼（entropy coding）等模塊。但在HEVC編碼架構(gòu)中，整體被分為了三個基本單位，分別是：編碼單位（coding unit，CU）、預測單位（predict unit，PU） 和轉(zhuǎn)換單位（transform unit，TU ）。

　　比起H.264/AVC，H.265/HEVC提供了更多不同的工具來降低碼率，以編碼單位來說，H.264中每個宏塊（marcoblock，MB）大小都是固定的16x16像素，而H.265的編碼單位可以選擇從最小的8x8到最大的64x64。以下圖為例，信息量不多的區(qū)域（顏色變化不明顯，比如車體的紅色部分和地面的灰色部分）劃分的宏塊較大，編碼后的碼字較少，而細節(jié)多的地方（輪胎）劃分的宏塊就相應的小和多一些，編碼后的碼字較多，這樣就相當于對圖像進行了有重點的編碼，從而降低了整體的碼率，編碼效率就相應提高了。同時，H.265的幀內(nèi)預測模式支持33種方向（H.264只支持8種），并且提供了更好的運動補償處理和矢量預測方法。

　　反復的質(zhì)量比較測試已經(jīng)表明，在相同的圖象質(zhì)量下，相比于H.264，通過H.265編碼的視頻大小將減少大約39-44%。由于質(zhì)量控制的測定方法不同，這個數(shù)據(jù)也會有相應的變化。通過主觀視覺測試得出的數(shù)據(jù)顯示，在碼率減少51-74%的情況下，H.265編碼視頻的質(zhì)量還能與H.264編碼視頻近似甚至更好，其本質(zhì)上說是比預期的信噪比（PSNR）要好。這些主觀視覺測試的評判標準覆蓋了許多學科，包括心理學和人眼視覺特性等，視頻樣本非常廣泛，雖然它們不能作為最終結(jié)論，但這也是非常鼓舞人心的結(jié)果。

　　H.264與H.265編碼視頻的主觀視覺測試對比，我們可以看到后者的碼率比前者大大減少了

　　目前的HEVC標準共有三種模式：Main，Main 10和Main Still Picture。Main模式支持8bit色深（即紅綠藍三色各有256個色度，共1670萬色），Main 10模式支持10bit色深，將會用于超高清電視（UHDTV）上。前兩者都將色度采樣格式限制為4:2：0。預期將在2014年對標準有所擴展，將會支持4:2：2和4:4：4采樣格式（即提供了更高的色彩還原度），和多視圖編碼（例如3D立體視頻編碼）。

　　事實上，H.265和H.264標準在各種功能上有一些重疊。例如，H.264標準中的Hi10P部分就支持10bit色深的視頻。另一個H.264的部分（Hi444PP）還可以支持4:4：4色度抽樣和14比特色深。在這種情況下，H.265和H.264的區(qū)別就體現(xiàn)在前者可以使用更少的帶寬來提供同樣的功能，其代價就是設備計算能力：H.265編碼的視頻需要更多的計算能力來解碼。目前已經(jīng)有支持H.265解碼的芯片發(fā)布了——美國博通公司（Broadcom）在今年1月初的CES大展上發(fā)布了一款Brahma BCM7445芯片，它是一個采用28納米工藝的四核處理器，可以同時轉(zhuǎn)碼四個1080P視頻數(shù)據(jù)流，或解析分辨率為4096×2160的H.265編碼超高清視頻。

　　H.265的未來

　　對于普通消費者來說，更關(guān)心的肯定是還要多久才能買到支持H.265/HEVC解碼的設備。這就要取決于很多因素了。AMD和Nvidia等顯卡巨頭可能會在相當短的時間內(nèi)整合H.265，盡管H.265還有許多新功能尚未添加。第一代芯片可能只適用于剛定案的標準，待將來擴展完成后，還會做出支持H.265多視圖解碼的版本。

　　由于不同的公司對于H.264視頻的解碼能力不同，就設備級的兼容性而言，我們可能會看到一些“忽悠人”的信息。比如，那些CPU足夠強大，可以強行通過計算能力實現(xiàn)H.265視頻解碼的智能手機或平板電腦就能被宣傳成“支持H.265視頻解碼”，而這樣的“支持”則會使它們在處理視頻時耗電急劇增加?？隙〞霈F(xiàn)一些無良公司，大肆宣揚H.265云云，將這個新的視頻標準當做是一個區(qū)別設備級別的噱頭，這樣就可以把尚未真正支持H.265解碼的視頻賣給不明真相的消費者。而實際上，這些內(nèi)容又會是由各大媒體和廣告公司負責制作，所以其中內(nèi)幕就更加復雜了。

　　目前，有線電視和數(shù)字電視廣播主要采用仍舊是MPEG-2標準。好消息是，H.265標準的出臺最終可以說服廣播電視公司放棄垂垂老矣的MPEG-2，因為同樣的內(nèi)容，H.265可以減少70-80%的帶寬消耗。這就可以在現(xiàn)有帶寬條件下輕松支持全高清1080P廣播。但是另一方面，電視廣播公司又很少有想要創(chuàng)新的理由，因為大多數(shù)有線電視公司在他們的目標市場中面臨的競爭實在是有限。出于節(jié)省帶寬的目的，反而是衛(wèi)星電視公司可能將會率先采用H.265標準。

　　從長遠角度看，H.265標準將會成為超高清電視（UHDTV）的4K和8K分辨率的選擇。但這也會帶來其它問題。目前，還極少有原生4K分辨率的視頻內(nèi)容。H.265標準的完成意味著內(nèi)容擁有者現(xiàn)在已經(jīng)有了一個對應的理論標準，但是他們現(xiàn)在還沒有一個統(tǒng)一的方式來傳送內(nèi)容。索尼正在計劃一個4K電影數(shù)字傳送服務，供那些購買索尼4K電視的顧客使用，并且還在今年推出了名為“Mastered in 4K”的高清藍光DVD播放器。這些1080p的影片是從4K數(shù)字母版轉(zhuǎn)換而來，并且將來有望推出質(zhì)量更好的“近4K體驗”。

　　標清（SD），高清（HD）和8K分辨率超高清（UHD）視頻大小對比圖

　　藍光光盤協(xié)會（The Blu-ray Disc Association）正在研究在藍光光盤標準中支持4K分辨率視頻的方法，但是這可沒那么簡單。理論上H.264在擴展后就可以擁有這個功能，但是到那時碼率問題又會浮出水面。一個H.264編碼的4K藍光電影需要的存儲空間遠大于相同內(nèi)容的H.265版本，其大小可高達100G以上，而現(xiàn)有的播放器也不支持100-128GB的高容量可刻錄可擦寫光盤（ BDXL）。

　　到目前為止，仍然沒有一個妥善解決方案，可以將4K分辨率視頻加入已有的藍光標準中并且不破壞其兼容性。雖然更新到H.265標準并不需要對光盤制造工藝進行改進，但卻需要制造全新的播放器才能將新的藍光光盤播放出來，雖然現(xiàn)在的有些播放器可以播放高密度光盤，但那也需要進行設備檢查升級才行。

　　另一個大問題就是游戲主機對H.265標準的支持。索尼的PS2和PS3主機推動了DVD和藍光標準的發(fā)展。而即將發(fā)布的PS4理論上很可能將支持4K分辨率的內(nèi)容，但4K分辨率的視頻該怎樣傳送，通過哪些標準進行支持？這仍然還在討論中。

　　目前看來，對于H.265/HEVC標準，我們?nèi)孕璩种斏鳂酚^態(tài)度。但有一點是肯定的：H.265標準在同等的內(nèi)容質(zhì)量上會顯著減少帶寬消耗，有了H.265，高清1080P電視廣播和4K視頻的網(wǎng)絡播放將不在困難，但前提是索尼或者其它媒體巨頭能想出辦法來傳送這些內(nèi)容。同時，如果移動設備要采用H.265標準，那么其在解碼視頻時對電量的高消耗也是各大廠商需要解決的問題