HEVC

H.265 или HEVC (англ. High Efficiency Video Coding — высокоэффективное ирование видеоизображений) — формат видеосжатия с применением более эффективных алгоритмов по сравнению с H.264/MPEG-4 AVC[1]. Рекомендация МККТТ H.265, а также стандарт ISO/IEC 23008-2 MPEG-H Часть 2, — совместная разработка экспертной группы по видеоированию МККТТ ( ITU-T Video Coding Experts Group — VCEG) и экспертной группы по движущемуся изображению MPEG[2]. Рекомендация стандарта разработана в связи с растущей потребностью в более высокой степени сжатия движущихся изображений для самых разных приложений, таких как потоковая передача в интернете, передача данных, видеоконференц-связь, цифровые запоминающие устройства и телевизионное вещание[3].

Поддерживаются форматы кадра до 8K (UHDTV) с разрешением 8192×4320 пикселей[4].


История[ | ]

В 2004 году VCEG приступила к исследованию развития технологий, которые позволили бы создать новый стандарт сжатия видео (или добиться существенного улучшения стандарта H.264/MPEG-4 AVC). В октябре 2004 года произведён обзор различных способов возможного усовершенствования H.264/MPEG-4 AVC[5].

Изначально предусматривалось, что H.265 будет полностью новым стандартом, а не расширением H.264 вроде HVC (High-performance Video Coding). В рамках проекта были присвоены предварительные имена H.265 и H.NGVC (англ. Next-generation Video Coding — следующее поколение видеоирования), также существовала значительная часть работы VCEG до её эволюции в HEVC, совместный проект с MPEG в 2010 году. В апреле 2009 года проект получил название NGVC; в июле 2009 состоялось совещание MPEG и VCEG, на котором обсуждалась дальнейшая совместная работа по NGVC и HVC.

Предварительные требования к NGVC состоят в уменьшении битрейта на 50 % при схожей субъективной оценке качества изображения и сравнимой с H.264 High profile вычислительной сложностью. В зависимости от настроек предполагается варьирование вычислительной сложности от 1/2 до 3 по сравнению с H.264 High profile, при этом в первом случае NGVC должен обеспечивать на 25 % меньший битрейт[6].

ISO / IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) начала аналогичный проект в 2007 году, предварительно названный Высокопроизводительное видеоирование (High-performance Video Coding). В июле 2007 года было принято решение в качестве цели проекта достигнуть снижения битрейта на 50 %[7]. К июлю 2009 года результаты эксперимента показали среднее снижение скорости потока примерно на 20 % по сравнению с AVC High Profile, эти результаты побудили MPEG начать стандартизацию в сотрудничестве с VCEG.

Для разработки стандарта MPEG и VCEG создали Объединенную команду по видеоированию Joint Collaborative Team on Video Coding (JCT-VC) (ITU-T Rec H.264|ISO/IEC 14496-10)[8]. Первое заседание Объединенной команды по видеоированию (JCT-VC) состоялось в апреле 2010 года. Было представлено 27 полноценных проектов. Оценки показали, что некоторые предложения могут достичь такого же качества изображения, как AVC, лишь с половинным битрейтом во многих испытаниях, при 2—10-кратном увеличении вычислительной сложности, и в некоторых проектах были достигнуты хорошее субъективное качество и хорошие результаты скорости передачи данных с более низкой вычислительной сложностью, чем при референсном ировании AVC с высоким профилем. На этом совещании было принято название для совместного проекта — высокоэффективное видеоирование High Efficiency Video Coding (HEVC)[9].

Комитет Проекта HEVC был утвержден в феврале 2012 года. В июне 2012 года MPEG LA объявила о начале процесса принятия совместных лицензий на патенты HEVC. Проект международного стандарта был утвержден в июле 2012 года на совещании, состоявшемся в Стокгольме. Fröjdh, председатель шведской делегации MPEG, считает, что коммерческие продукты, которые поддерживают HEVC, могут быть выпущены в 2013 году[10].

29 февраля 2012 года на выставке Mobile World Congress компания Qualcomm показала HEVC-деер, работающий на планшете под управлением ОС Android с двухъядерным процессором Qualcomm Snapdragon S4 с частотой 1,5 ГГц. Показывались две версии видеозаписи с одинаковым содержанием, заированными H.264/MPEG-4 AVC и HEVC. На этом показе HEVC показал почти 50%-е снижение скорости передачи по сравнению с H.264/MPEG-4 AVC[11].

31 августа 2012 Allegro DVT объявила о выпуске двух HEVC-вещательных еров: ер AL1200 HD-SDI и IP-трансер AL2200[12]. Allegro DVT заявила, что аппаратных дееров HEVC не следует ожидать до 2014 года, но HEVC сможет применяться и раньше в приложениях с программным деированием. На выставке IBC 2012 Allegro DVT показала HEVC-системы потокового IP-вещания на основе IP-трансера AL2200.

Ericsson в сентябре 2012 года на выставке International Broadcasting Convention (IBC) представила первый в мире HEVC-ер, Ericsson SVP 5500, который предназначен для ирования видео в реальном времени для трансляции эфирного ТВ в сетях подвижной связи[13].

В апреле 2013 года проект принят в качестве стандарта МСЭ-T[3].

На начало 2017 на аппаратном уровне реализована частичная поддержка стандарта HEVC всеми крупными производителями процессоров.[источник не указан 746 дней]

В качестве требований к стандарту предложено много новых возможностей:[источник не указан 746 дней]

  • Двумерный неразделимый адаптивный интерполяционный фильтр (AIF)
  • Разделимый AIF
  • Направленный AIF
  • Компенсация движения с точностью до 1/8-пикселя (Qpel)
  • Адаптивное предсказание ошибок ирования (APEC) в пространственной и частотной областях
  • Адаптивный выбор матрицы квантования (AQMS)
  • Основанная на сравнении схема выбора и ирования вектора движения
  • Режимозависимое изменение настройки внутрикадрового ирования

Предполагается, что эти приёмы принесут наибольшую пользу при многопроходном ировании[14].

Эффективность ирования[ | ]

Разработка большинства стандартов видеоирования предназначена, в первую очередь, для достижения наибольшей эффективности ирования. Эффективность ирования определяется способностью заировать видео с минимально возможным битрейтом при сохранении определённого уровня качества видео. Существует два стандартных способа измерения эффективности ирования видео, один из которых заключается в использовании объективной метрики, такой как пикового отношения сигнал-шум (PSNR), а второй состоит в использовании субъективной оценки качества видео. Субъективная оценка качества изображения является наиболее важным параметром для оценки ирования видео, так как зрители воспринимают качество видео именно субъективно.

Вместо макроблоков, которые применялись в H.264, в HEVC используются блоки с древовидной структурой ирования. Выигрыш ера HEVC — в применении блоков большего размера. Это было показано в тестах PSNR с моделью ера HM-8.0, где сравнивались результаты ирования с разными размерами блоков. В результате тестов было показано, что по сравнению с ированием блоков размером 64x64 пикселей битрейт увеличивается на 2,2 %, когда используются блоки размером 32x32 и увеличивается на 11,0 %, когда используется размер блоков 16х16. В тестах ирования видео с разрешением 2560x1600 пикселей при использовании блоков с размером 32x32 пикселей битрейт увеличивается на 5,7 %, а при использовании блоков размером 16x16 пикселей — на 28,2 %, по сравнению с видео, где использованы блоки размером 64х64, при одинаковом пиковом отношении сигнал-шум. Тесты показали, что применение блоков большего размера более эффективно при ировании видео с высоким разрешением. Тесты также показали, что для деирования видео, заированного с размерами блоков 16х16, требуется на 60 % больше времени, чем при использовании блоков 64x64. То есть, применение блоков бо́льших размеров повышает эффективность ирования при одновременном сокращении времени деирования[15].

Было проведено сравнение эффективности ирования основного профиля Н.265 с еками H.264/MPEG-4 AVC High Profile (HP), MPEG-4 Advanced Simple Profile (ASP), H.263 High Profile Latency (HLP) и H .262/MPEG-2 Main Profile (MP). Были заированы видео развлекательных программ и девять тестовых видеопоследовательностей с двенадцатью различными битрейтами с использованием тестовой модели HEVC HM-8.0, пять из них были с HD-разрешением, а четыре были с разрешением WVGA (800 × 480). Уменьшение битрейта определялось на основе PSNR[15].

Сравнение стандартов видеоирования при равном PSNR
Стандарт видеоирования Среднее сокращение битрейта
H.264/MPEG-4 AVC HP MPEG-4 ASP H.263 HLP H.262/MPEG-2 MP
HEVC MP 35,4 % 63,7 % 65,1 % 70,8 %
H.264/MPEG-4 AVC HP - 44,5 % 46,6 % 55,4 %
MPEG-4 ASP - - 3,9 % 19,7 %
H.263 HLP - - - 16,2 %

Структура ера HEVC[ | ]

Схема типового ера HEVC

При ировании видео в HEVC применяется такой же «гибридный» подход, что и во всех современных еках, начиная с H.261. Он заключается в применении внутри- и межкадрового (Intra-/Inter-) предсказания и двумерного ирования с преобразованием.

В ере HEVC каждый видеокадр делится на блоки. Первый кадр видеопоследовательности ируется с использованием только внутрикадрового предсказания, то есть применяется пространственное предсказание ожидаемого уровня отсчёта внутри кадра по соседним отсчётам, при этом отсутствует зависимость от других кадров. Для большинства блоков всех остальных кадров последовательности, как правило, используется режим межкадрового временного предсказания. В режиме межкадрового предсказания на основании данных о величине отсчётов опорного кадра и вектора движения оцениваются текущие отсчёты каждого блока. ер и деер создают идентичные межкадровые предсказания путём применения алгоритма компенсации движения с помощью векторов движения и данных выбранного режима, которые передаются в качестве дополнительной информации.

Разностный сигнал предсказания, который представляет собой разницу между опорным блоком кадра и его предсказанием, подвергается линейному пространственному преобразованию. Затем коэффициенты преобразования масштабируются, квантуются, применяется энтропийное ирование, и затем передаются вместе с информацией предсказания.

ер в точности повторяет цикл обработки деером так, что в обоих случаях будут генерироваться идентичные предсказания последующиих данных. Таким образом, преобразованные квантованные коэффициенты подвергаются обратному масштабированию и затем обратному преобразованию, чтобы повторить деированное значение разностного сигнала. Разность затем добавляется к предсказанию, и полученный результат фильтруется для сглаживания артефактов, полученных делением на блоки и при квантовании. Окончательное представление кадра (идентичное кадру на выходе деера) хранится в буфере деированных кадров, которое будет использоваться для прогнозирования последующих кадров. В итоге, порядок ирования и деирования обработки кадров часто отличается от порядка, в котором они поступают из источника.

Предполагается, что видеоматериал на входе ера HEVC имеет прогрессивную развёртку. В HEVC не представлено явных функций ирования чересстрочной развёртки, так как чересстрочная развёртка не используется в современных дисплеях и имеет всё меньшее распространение. Тем не менее, в HEVC были представлены метаданные, позволяющие указать еру, что было заировано видео с чересстрочной развёрткой в одном из двух режимов: в виде отдельных изображений, как два поля (четные или нечетные строки кадра) или весь кадр целиком. Этот эффективный метод обеспечивает ирование видеосигнала с чересстрочной разверткой, минуя необходимость нагружать дееры поддержкой специального процесса деирования.

Профили[ | ]

В октябре 2012 года проект включает в себя три профиля: Основной (Main), Основной 10 (Main 10) и Основной профиль неподвижных изображений (Main Still Picture)[16].

Профиль — это определённый набор средств ирования и алгоритмов, которые могут быть использованы для создания видеопотока, соответствующего этому профилю[15]. ер при формировании видеопотока определяет, какие компоненты можно использовать для профиля, в то время как деер должен поддерживать все функции для данного профиля.

Main (Основной профиль)[ | ]

Для основного профиля определены следующие ограничения:

  • Глубина цвета — 8 бит на канал (16,78 млн возможных цветов),
  • Цветовая субдискретизация — 4:2:0,
  • Размер буфера деера ограничивается 6 кадрами максимального размера яркостной компоненты для этого уровня.

Main 10 (Основной профиль 10)[ | ]

Main 10 — профиль для ирования видео с глубиной цвета 10 бит на канал[16].

Сравнение основных элементов еров:

AVC (High Profile) HEVC (Main 10) HEVC (Main Profile)
Размер блоков Макроблок 16×16 Блоки с древовидной структурой ирования от 64×64 до 8×8 от 64×64 до 16×16
Блоки предсказания Разбиение до 4×4 от 64×64 до 4×4, асимметричное предсказание от 64×64 до 8×8, симметричное предсказание
Блоки преобразования 8×8 и 4×4 32×32 16×16 8×8 4×4 + неквадратные преобразования 32×32 16×16 8×8 4×4
Внутрикадровое предсказание 9 режимов 35 режимов 35 режимов
Обратное преобразование Деблокирующий фильтр Деблокирующий фильтр, SAO Деблокирующий фильтр, SAO
Компенсация движения Предсказание вектора движения Усовершенствованное предсказание вектора движения (пространственное и временное)
Глубина цвета на канал 8 бит 10 бит 8 бит
Энтропийное ирование CABAC или CAVLC CABAC с применением параллельных операций

Main Still Picture (Основной профиль неподвижных изображений)[ | ]

Основной профиль неподвижных изображений позволяет ировать отдельное изображение при соблюдении некоторых ограничений, соответствующих Основному профилю[16].

Уровни[ | ]

В октябре 2012 года проект HEVC определяет два слоя, Основной (Main) и Высокий (High), и 13 уровней[16]. Уровень (Level) представляет собой набор ограничений для потока данных, связанных с вычислительными возможностями деера и загрузкой памяти. Уровень устанавливается, исходя из максимальной частоты дискретизации, максимального размера кадра, максимальной скорости потока, минимальной степени сжатия и возможностей кадрового буфера деера и ера. Понятие слой (англ. Tier — ярус) было введено для приложений, которые различаются только максимальной скоростью потока и ёмкостью кадрового буфера ера. Основной слой был разработан для большинства приложений, а Высокий уровень предназначен для приложений с повышенными требованиями. Деер, соответствующий определенному слою и уровню, должен деировать все потоки, заированные с параметрами этого слоя и уровня и всех более низких слоев и уровней. Для уровней ниже четвёртого допускается только Основной слой[1][16].

Уровни с максимальными параметрами
Уровень Макс. частота
дискретизации[17]
(Гц)
Макс. размер
кадра[17]
(пикс.)
Макс. скорость потока
для профилей Main и Main 10
(кбит/с)
Пример разрешения кадра@
макс. частота кадров
(Макс. размер
кадрового буфера)
Мин.
степень
сжатия
Основной слой Высокий слой
1 552 960 36 864 128 - 128×[email protected] (6)
176×[email protected] (6)
2
2 3 686 400 122 880 1 500 - 176×[email protected] (16)
352×[email protected] (6)
2
2.1 7 372 800 245 760 3 000 - 352×[email protected] (12)
640×[email protected] (6)
2
3 16 588 800 552 960 6 000 - 640×[email protected] (12)
720×[email protected] (8)
720×[email protected] (8)
960×[email protected] (6)
2
3.1 33 177 600 983,040 10 000 - 720×[email protected] (12)
720×[email protected] (12)
960×[email protected] (8)
1280×[email protected] (6)
2
4 66 846 720 2 228 224 12 000 30 000 1280×[email protected] (12)
1920×[email protected] (6)
2048×[email protected] (6)
4
4.1 133 693 440 20 000 50 000 1280×[email protected] (12)
1920×[email protected] (6)
2048×[email protected] (6)
4
5 267 386 880 8 912 896 25 000 100 000 1920×[email protected] (16)
3840×[email protected] (6)
4096×[email protected] (6)
6
5.1 534 773 760 40 000 160 000 1920×[email protected] (16)
3840×[email protected] (6)
4096×[email protected] (6)
8
5.2 1 069 547 520 60 000 240 000 1920×[email protected] (16)
3840×[email protected] (6)
4096×[email protected] (6)
8
6 1 069 547 520 35 651 584 60 000 240 000 3840×[email protected] (16)
4096×[email protected] (16)
4096×[email protected] (12)
7680×[email protected] (6)
8192×[email protected] (6)
8
6.1 2 139 095 040 120 000 480 000 3840×[email protected] (16)
4096×[email protected] (16)
4096×[email protected] (12)
7680×[email protected] (6)
8192×[email protected] (6)
8
6.2 4 278 190 080 240 000 800 000 3840×[email protected] (16)
4096×[email protected] (16)
4096×[email protected] (12)
7680×[email protected] (6)
8192×[email protected] (6)
6

Примечания[ | ]

  1. 1 2 G.J. Sullivan. Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard (pdf), IEEE Trans. on Circuits and Systems for Video Technology (25 мая 2012). Дата обращения 14 сентября 2012.
  2. ISO/IEC FDIS 23008-2, International Organization for Standardization (14 мая 2013). Дата обращения 14 июня 2013.
  3. 1 2 ITU-T Home : Study groups : ITU-T Recommendations : ITU-T H.265 (04/2013), ITU (13 апреля 2013). Дата обращения 16 апреля 2013.
  4. H.265 : High efficiency video coding, ITU (7 июня 2013). Дата обращения 7 июня 2013.
  5. Draft meeting report for 31st VCEG Meeting (Marrakech, MA, 15-16 January, 2007)
  6. Draft requirements for "EPVC" enhanced performance video coding project, ITU-T VCEG (10 июля 2009). Дата обращения 24 августа 2012.
  7. An Interview With Dr. Thomas Wiegand. in-cites (1 июля 2007). Дата обращения 18 августа 2012. Архивировано 24 октября 2012 года.
  8. ITU TSB. Joint Collaborative Team on Video Coding. ITU-T (21 мая 2010). Дата обращения 24 августа 2012. Архивировано 24 октября 2012 года.
  9. Documents of the first meeting of the Joint Collaborative Team on Video Coding (JCT-VC) – Dresden, Germany, 15–23 April 2010. ITU-T (23 апреля 2010). Дата обращения 24 августа 2012. Архивировано 24 октября 2012 года.
  10. MPEG issues video compression draft, Ericsson (13 августа 2012). Дата обращения 16 августа 2012.
  11. Qualcomm shows horsepower of next-gen H.265 video, CNET (29 февраля 2012). Дата обращения 12 октября 2012.
  12. World First Live HEVC Broadcast Encoders: AL1200/AL2200, PRNewswire (31 августа 2012). Дата обращения 31 августа 2012.
  13. Ericsson представил новый взгляд на зрительский опыт [ 13-09-2012 ] Архивировано 14 марта 2016 года.
  14. Current Status of H.265 (as at July 2008) | H265.net
  15. 1 2 3 G.J. Sullivan. Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards – Including High Efficiency Video Coding (HEVC) (pdf), IEEE Trans. on Circuits and Systems for Video Technology (22 августа 2012). Дата обращения 22 сентября 2012.
  16. 1 2 3 4 5 High Efficiency Video Coding (HEVC) text specification draft 9, JCT-VC (22 октября 2012). Дата обращения 23 октября 2012.
  17. 1 2 Для яркостной компоненты

См. также[ | ]

Ссылки[ | ]