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新一代视频编码标准 有何亮点和前景?

http://www.secu.hc360.com2017年06月15日09:48 来源:中国信息产业网T|T

    慧聪安防网讯 2016年6月份,工信部等部门联合发布了《“互联网”人工智能三年行动实施方案》,《方案》设定的主要任务中提及将智能安防作为人工智能产品创新的重点应用推广领域:即提出实施智能安防推广工程,鼓励安防企业与互联网企业开展合作,研发集成图像与视频精准识别、生物特征识别、编码识别等多种技术的智能安防产品,推动安防产品的智能化、集约化、网络化。新一代视频编码标准H.265,有利于智能安防的打造。

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    H.264具有优秀的视频压缩性能与网络适应性,诞生以来广泛应用到流媒体传输、数字电视广播、实时视频通信等领域。伴随高清、超高清4K乃至8K视频的兴起,高分辨率摄像机、超高清液晶电视随之普及。高清、超高清视频带来的海量数据对存储提出新要求,其传输及点播应用对网络带宽也提出了诸多挑战。当前普遍采用的H.264视频压缩标准已无法满足需求,亟须一种更高分辨率、更高压缩率、更高质量的编码标准。

    为适应新的需求,ITU-T视频编码专家组与ISO/IEC动态图像专家组联合成立了视频编码联合协作组(JCT-VC),并于2013年推出H.265/HEVC标准。相比H.264标准,H.265的压缩效率有了显著提高,编码同等质量的视频较H.264可节省40%~50%的码流,并增加了更多的并行机制和网络传输机制。例如,采用H.264标准需4M码率才能保证图像质量的1080P视频,采用H.265标准码率可降到2M左右,显而易见采用H.265能有效降低高清视频的存储成本和传输时对网络带宽的要求。此外,H.265还支持4K、8K等超高清视频格式。

    H.265沿用了H.264的混合视频编码框架,但又有新的技术特点,其核心编码模块包括:帧内/帧间预测、变换及量化、去块滤波器、熵编码等。针对超高清视频的编码及并行处理,H.265定义了灵活的块结构,同时对各个编码模块进行了优化和改进,又增加了新的编码模块(如SAO),使得压缩效率得到显著提高。

    树形编码结构

    类似H.264宏块,H.265把一帧图像分割成互不重叠的编码树单元(CTU)。与传统宏块不同,CTU的大小可从16×16扩展到64×64,在高分辨率视频编码中,大尺寸的CTU可获得更好的压缩效率。CTU可通过四叉树递归分解成多个编码单元(CU),四叉树结构使得H.265能够根据当前块的局部特性自适应地进行分块处理,在平滑区域采用较大的编码单元,而在纹理细节区域采用较小的编码单元。

    在帧内/帧间预测模式下,一个CU又可划分成多个预测单元(PU),在变换和量化模式下,一个CU同样可以划分成多个转换单元(TU)。CU、PU和TU三个单元相互独立,使得编码、预测、变换及量化各环节可分别优化,整体更加灵活高效。

    帧内预测技术

    帧内预测是利用已编码的相邻块的重构图像预测当前块,H.265扩展了帧内预测模式,提供了33种方向性帧内预测方式,以及DC和Planar两种平面预测方式。与H.264相比较,H.265中方向性帧内预测的角度划分更细,可以提高预测的精度,减少图像残差数据的产生,提升数据压缩效率。

    帧间预测技术

    运动补偿是帧间预测的重要方法,插值方法用于计算运动补偿中非整数位置的像素值。H.264对1/4像素采用二次插值,先通过6阶插值滤波器计算1/2像素值,再采用线性插值得到1/4像素值。而H.265对1/2像素的插值采用对称的8阶滤波器,对1/4像素采用非对称的7阶滤波器。H.265这种采用高阶滤波器的单次插值方法,避免了中间过程的取整操作,提高了插值运算的精度。

    H.265利用时域/空域运动向量的相关性,设计了更为复杂的帧间预测模式,定义了Skip、Merge、Inter三种模式,其中Skip模式和Merge模式的每个预测单元(PU)的运动参数可直接由相邻的已编码块导出,因而只需编码一个指向参考块位置的索引。

    采样自适应补偿

    与H.264类似,H.265在编码环路内采用了去块滤波器减少块效应、振铃效应,但在去块滤波器之后引入了采样自适应补偿(SAO)技术。SAO对重建并经环路滤波后的图像进行处理,对不同类别的像素加上一个偏移值,从而降低原始图像与重构图像间的整体失真,提高压缩率并减少码率。

    并行编码技术

    为增强并行处理能力,H.265标准引入了Tile并行、错峰并行(WPP)、Slice并行等新特性。Tile并行中,图像按水平和垂直两个方向划分成很多矩形区域,即Tile,Tile间相互独立并可实现并行处理。Slice并行,一个Slice允许划分成多个子条带,每个子条带可独立编码。WPP并行,上一行的第二个LCU处理完毕,允许对当前行进行编码操作,从而进一步提高编码器的并行处理能力。

    对H.264的关键改进

    针对视频高清化和编码并行化,H.265对各模块进行了大幅改进,提高了算法复杂度以获得更高的压缩效率。

    应用前景展望

    H.265是继H.264之后的新一代视频编码标准,具有优良的网络适应性、并行处理能力及压缩效率。但H.265的算法复杂度相比H.264提高了2~10倍,采用H.265的实时编码对计算机的硬件性能提出了更高要求。

    目前国内外主要的编码设备厂商正在积极参与H.265标准的研究,随着H.265编解码芯片的推出,H.265标准将逐渐取代H.264,广泛应用到高清、超高清视频的压缩编码和网络传输中,促进高清、超高清电视节目和网络视频的普及。

责任编辑:钟娟娟

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