H.265技术特征及应用趋势浅析

    【CPS中安网 cps.com.cn】在2010年，ITU-T VCEG和ISO/IEC MPEG共同立项了联合项目HEVC(High Efficiency Video Coding)，开始研究和制定下一代视频压缩标准，将主要目标定义为在1080P分辨率上，相比当前主流的视频压缩算法提高一倍左右的压缩比，并提供更高分辨率的有效支持。这一标准，也被视为目前安防行业普遍应用的H.264/AVC算法的继任者H.265。2013年初，HEVC通过标准组织第一阶段审批，正式名称为ITU-T H.265。据悉，H.265的整个标准化程序将在2014年左右完成，本文就H.265的性能、关键技术、复杂度、应用趋势和产业影响等方面进行简单的分析。

　　一.性能指标

　　H.265作为新一代的视频压缩技术，其核心的优势在于相比之前的历代标准，可以在同样的图像质量下，大幅降低压缩码率。

　　从客观效果提升上看，根据测试H.265在1080P分辨率下相比H.264码率降低一半左右，并且分辨率越高优势越显著。下图是以标准测试序列Kristen and Sara(720P60)和Kimono1(1080P24)所得的结果。可以看出，720P下的码流降低幅度约30%~40%，1080P下约40%~50%。总体而言，H.265相对于H.264/AVC客观性能的提升幅度已达成目标。

　　图1.H.265与各压缩标准的客观性能比较[1]

　　需要指出的是，H.265的压缩性能提升主要体现在高清图像上，对于标清及更小分辨率的图像幅度有限。对于高清图像，如果其纹理复杂锐利，也较有可能无法达到上述性能。

　　在主观图像测试方面也获得了类似的结果，1080P下H.265在节省了约50%码流的同时，所得的图像质量与H.264相当。

　　表1.H.265与H.264的主观效果比较[1]

　　二.技术特征

　　H.265与H.264所采用的基础框架类似，在各个主要的技术点上都进行改进，尤其是引入了图像块自适应四叉树划分，并采用一系列变尺度的图像纹理特征自适应编码技术，较大幅度提升了图像平坦区域的压缩能力。各种先进的技术共同作用，使新标准获得了性能的显著提升。

　　图2. H.265的编码框架[2]

　　H.265相对于H.264比较大的改进是：

　　1)在图像分块以及运动补偿、变换块方面，支持更大尺寸和更多种类;

　　2)更灵活丰富的帧内/帧间预测、运动矢量预测和变换模式;

　　3)增加环内采样自适应滤波SAO;

　　4)提供TILE模式等技术，更好地支持并行处理。

　　这些新技术的运用，不但有效地提高压缩性能，也为充分地考虑了设计上的可并行性，为各种处理器平台的有效实现扩展了空间。

　　三.复杂度估计

　　关于运算复杂度方面，可以从编码和解码、软件实现和硬件实现两个维度与H.264/AVC进行比较分析。

　　软件编码：根据初步测试，如果希望接近或达到官方展示的压缩效果，软件实现的H.265编码器与H.264的优秀编码器如x264相比，运算复杂度可能有数量级上的增加。

　　1) 其原因主要在于，H.265的性能提升很大部分通过增加较多的编码模式达成，而从这些模式中择优选取，是一项非常消耗运算量的工作。不过随着学术与产业界研究和应用的深入，针对H.265更为高效的新算法不断提出，运算的复杂度将逐渐可控。

　　2) 硬件编码：由于H.265定义的最大图像分块为64x64像素，为了保存较大区域的原始图像，意味着需要更多的片上缓冲区。面向高清应用，对应运动搜索范围的增大也会产生相同的影响。再者，H.265在各模块，如运动补偿、变换量化、采样自适应滤波等方面的改进，也需要更多硬件资源。并且，更复杂模式选择算法所要求的计算代价仍然存在，只不过与软件相比，以芯片逻辑面积的增长替代了处理器时钟的消耗。总的来说，对于一般性能要求的硬件编码而言，实现复杂度增加比软件编码要低一些，是H.264的三五倍左右。

　　3) 软件解码：由于没有模式选择的巨大消耗，H.265在软件解码方面的复杂度较为理想，可能是H.264的两倍不到。目前国内外不少厂商都在x86、ARM等平台上发布了可商用的H.265解码软件，推动了标准的普及应用。

　　4) 硬件解码：从H.265已公布的Main Profile定义看，相对于H.264在硬件解码方面的复杂度也有一定程度的增加，尤其是如果需要兼容整个Profile的全部定义，其增加的幅度可能与中等设计要求的硬件编码接近。