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高效率視訊編碼(High Efficiency Video Coding,簡稱HEVC),又稱為H.265和MPEG-H第2部分,是一種視訊壓縮標準,獲視為是ITU-T H.264/MPEG-4 AVC標準的繼任者。2004年開始由ISO/IEC Moving Picture Experts Group(MPEG)和ITU-T Video Coding Experts Group(VCEG)作為ISO/IEC 23008-2 MPEG-H Part 2或稱作ITU-T H.265開始制定[1][2][3][4][5]。第一版的HEVC/H.265視訊壓縮標準在2013年4月13日獲接受為國際電信聯盟(ITU-T)的正式標準[1][2][6]。HEVC獲認為不僅提昇影像品質,同時也能達到H.264/MPEG-4 AVC兩倍之壓縮率(等同於同樣畫面品質下位元率減少到了50%),可支援4K解析度甚至到超高畫質電視(UHDTV),最高解析度可達到8192×4320(8K解析度)。
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數個基於HEVC延伸的編碼標準正在進行中,包含range extensions(支援進階的影片格式)、可調式編碼和3D視訊編碼標準。
在H.264/AVC標準制定完(2003年)的後一年,VCEG組織便開始研究更先進的視訊壓縮技術,期望能夠發展下一代視訊壓縮標準,或期望能大量提昇壓縮率成為H.264/AVC的延伸版本[1][7]。2005年1月,VCEG開始將這些議題統整稱為Key Technical Areas(KTA),並且開發了一個同名的軟體編解碼器KTA Software來評估受提案的新技術[8][9]。KTA software是基於H.264/AVC的標準參考軟體Joint Model(JM)[8]上,加入新的編碼技術並與JM的編碼效率做比較。到了2007年,KTA Software的編碼效率較JM提升了不少[10]。
為此目的MPEG與VCEG聯合成立了一個Joint Collaborative Team on Video Coding(JCT-VC)作為共同開發HEVC的團隊[1][2]。並每四個月進行一次標準討論與制定的會議。並發佈了HEVC的標準參考軟體HEVC Test Model(HM)[11]。
HEVC標準(第一個版本)制定的時程如下:[1]
HEVC與H.264/AVC和許多其他視訊壓縮編碼一樣,都是採用Hybrid Video Coding的架構(如右圖),但在各部分加入了一些新技術或者提升了原本編碼工具的效率[18]。
編碼樹單元(Coding Tree Unit, CTU)是HEVC的基本編碼單元,有如H.264/AVC的Macroblock。HEVC支援8x8到64×64像素的CTU大小。編碼樹單元可向下分割編碼單元(Coding Unit,CU)、預測單元(Prediction Unit,PU)及轉換單元(Transform Unit,TU)。
取代了過往中使用的 16×16 像素宏區塊,編碼樹單元可使用 64×64 的大區塊結構,且可以更好地將圖片細分為可變大小尺寸。
於初始時將圖片劃分為編碼樹單元,可以為64×64、32×32或16×16,而像素塊尺寸提升通常會提高時編碼的效率。
規範指定HEVC以 4×4、8×8、16×16 和 32×32 四個變換單元 (transform units) 大小來對預測殘差進行編碼,編碼樹單元可以遞歸地劃分超過四個變換單元。
變換單元使用基於離散餘弦變換(DCT) 的整數基函數;而屬於幀內編碼範疇的 4×4 亮度變換區塊則使用從離散正弦變換(DST) 導出的整數變換進行變換。
HEVC 使用前文參考之適應性二元算術編碼(CABAC) 算法,使用了跟H.264/AVC High Profile中一樣的前文參考之適應性二元算術編碼演算法來做熵編碼,並拋棄了適應性變動長度編碼法(CAVLC)。
HEVC僅允許前文參考之適應性二元算術編碼作為熵編碼器實踐方法,基於前文參考之適應性二元算術編碼的熵編碼目的在於實現更高的吞吐量。
HEVC 的另一個改進是編碼資料之間的相依關係改變,藉以提高吞吐量。
因此與 H.264/MPEG-4 AVC 相比,前文參考之適應性二元算術編碼可以更好地選擇提高效率的前文。
相比於 H.264/MPEG-4 AVC 的8 種幀內預測方向模式 ,HEVC 幀內預測有33 種方向模式。HEVC還有DC幀內預測和平面預測模式。
DC 幀內預測模式對樣本求平均值而來,可用於平坦表面。
至於平面預測模式,相對於而H.264/MPEG-4 AVC而言,HEVC的平面預測模式支持所有區塊尺寸,而H.264/MPEG-4 AVC的平面預測模式僅限於 16×16 像素的區塊尺寸。
從同一圖片內解碼的數據,獲用來作為幀內預測模式使用相鄰且相間的預測區塊數據。
關於亮度插值,HEVC 使用八個抽頭的濾波器進行一維半處樣本插值,或是七個抽頭的濾波器進行一維四分之一處樣本插值;
H.264/MPEG-4 AVC則先使用6 抽頭濾波器一維插值運算半樣本值,四捨五入後,在附近的半樣本位置的值之間使用線性插值,生成四分之一處樣本值。
兩者相比,使用更多抽頭的插值濾波器,並且消除了四捨五入的誤差,HEVC 精度更加高。
水平和垂直的運動矢量 (Motion Vectors) 在 2012 年 7 月添加到 HEVC 中,其中包含 mvLX 變量。
其中,HEVC 水平/垂直運動矢量範圍為 -32768 至 32767,共16位元;使用四分之一像素精度的HEVC,運動矢量範圍則為 -8192 至 8191.75 亮度樣本。
HEVC 有兩種運動矢量模式,即高級運動矢量預測 (Advanced Motion Vector Prediction) 和合併模式(Merge Mode)。
高級運動矢量預測,其使用來自參考圖片的數據,也可以使用來自相鄰預測區塊資料。
合併模式類似於 H.264/MPEG-4 AVC 的跳過與直接運動推理模式,不同的地方是,其使用索引信息來選擇備選目標。
HEVC有兩個環路濾波器,解塊濾波器(DBF)與取樣自適應偏移(SAO)濾波器。
在圖片間預測循環中使用解塊濾波器與自適應偏移量濾波器兩者,隨後將濾波後影像存儲存在解碼圖片緩衝器(Decoded Picture Buffer,DPB)中作為圖片間預測之基準。
類似於 H.264/MPEG-4 AVC 使用的解塊濾波器,但其設計更佳簡潔。 HEVC的解塊濾波器僅適用 8×8 樣本網格(Sample Grid),而 H.264/MPEG-4 AVC 則適用於 4×4 樣本網格。
DBF 使用 8×8 樣本網格讓影像退化顯著降低,並顯著提高了並行處理效率,因為解塊濾波器不再導致與其他操作交互作用。此外,HEVC只允許至多三個的解塊濾波器深度。
HEVC的解塊濾波器先做畫面垂直邊緣的水平濾波,而後再做對於水平邊緣的垂直濾波,有利於平行處理多線程(Multithreading)。
樣本自適應偏移濾波器在解塊濾波器之後使用,透過查找表查詢偏移量,藉以重建原始訊號震幅。每個編碼樹單元都可禁止使用樣本自適應偏移濾波器,或油以下兩種模式之一啟用:邊緣偏移模式(Edge Offset Mode)或帶偏移模式(Band Offset Mode)。
邊緣偏移模過使用方向梯度將樣本的值與其八個相臨且相間中的兩個值進行比較來操作,並將樣本分為五種類型:最小值、最大值、較低值邊緣、較高值的邊緣,與單調。除了單調以外,都會使用偏移量。
帶偏移模式根據單個樣本的幅度而使用不同的偏移量,樣本按其幅度分類為 32種頻帶,並為 32 個頻帶中的其中四個連續帶指定了偏移量,在容易產生振鈴效應的平坦區域中,樣本幅度經常在一個小範圍內改變。樣本自適應偏移濾波器旨在提高影像品質和減少振鈴效應。
HEVC定義了包含Main和High 2種「層級」(tiers)註:目前沒有公定譯名,以及13種「等級」(levels)註:目前沒有公定譯名[1]。層級是設計來面對不同的應用,對其最大位元率做限制。其中Main tier是設計給大部分的應用,而High tier是設計給高要求的應用[1]。等級則是針對位元流設定了一組限制,與Profile相似[1]。當一個解碼器符合給定了的層級與等級,代表此解碼器也受要求必須能解碼用該層級/等級及較低層級/等級所編碼出來的位元流[1]。
視頻編碼標準 | 較之H.264/MPEG-4 AVC HP減少碼率的比例 | ||||
---|---|---|---|---|---|
480p | 720p | 1080p | 4K UHD | ||
HEVC | 52% | 56% | 62% | 64% |
2022年10月25日,Google Chrome 發布了 107 版本,開始支持所有平台「開箱即用」的HEVC硬件解碼。[114]
HEVC在以下web瀏覽器中實現:
根據StatCounter的數據,2021年5月,估計有18%的台式機和筆記本系統上使用的瀏覽器能夠播放HTML5網頁中的HEVC視頻。[119]
Microsoft Windows | macOS | Android | iOS | |
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支持編解碼 | 是 | 是 | 是 | 是 |
支持的容器 | ||||
備註 |
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