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2019年9月23日 星期一

H.265+ Compression Technology

任何顏色車牌——都拍攝的清清楚楚!

4K知識百科


有句古話叫做「事半功倍」,意為只用一半的功夫就能收到加倍的功效。近年來,科技領域就有一項「事半功倍」的好事 —— H.265 影像編碼技術,這項技術得到蘋果 iPhone 6/Plus公開支援,前景甚好。

今天,我們不僅會探究 H.265 影像編碼技術,同時也會透過大量 H.265 片源進行畫質對比,為讀者們交上一份完整的測試報導。

H.265/HEVC 編碼技術及畫質對比


H.265 影像編碼技術號稱「僅需原先的一半頻寬,即可播放相同品質的影像」,這是 iPhone 6/Plus 支持 H.265 影像編碼的重要原因,透過蜂窩數據進行 H.265 FaceTime 視訊通話,降低頻寬需求的同時,大幅提升體驗,還能為使用者節省一半的流量費用。

再者,網路視訊已經崛起,目前10M 頻寬也未必能夠流暢觀看1080P 線上影片,一旦網路視訊透過 H.265 進行編碼壓縮,觀看不暢的問題立刻迎刃而解。

三星 HU9800 曲面 UHD 電視支援 HEVC (H.265)編碼技術

透過最實際的兩個例子,就能知道 H.265 影像編碼的巨大好處,結局往往是營運商和使用者取得雙贏,因此 H.265 編碼技術也得到了行業內的支持。幾年前三星發佈的曲面 UHD 旗艦 —— HU9800,就已經支援 H.265 編碼技術,隨後對岸中國小米電視2、樂視TV超級電視新品亦宣佈支援。透過努力,評測工程師手中掌握有不少基於 H.265 影像編碼的影像內容,並準備好同一片源的 H.264 影像內容,以便真刀真槍的進行對比實測體驗

H.265(HEVC)編碼技術解析

具體的對比測試之前,我們需要明白什麼是 H.265 影像編碼技術。H.265 編碼技術由對岸中國華為公司主導,華為擁有 H.265 編碼最多的核心專利技術,2012 年 8 月愛立信推出首款 H.265 編碼器,2013 年 2 月國際電信聯盟(ITU)規範透過 H.265 標準審核,將其命名為High Efficiency Video Coding(高效影像編碼),因此,嚴格來說 HEVC 是 H.265 編碼的正式命名。

High Efficiency Video Coding(高效影像編碼

HEVC 編碼技術整合成 CUPUTU 三個編碼單元
HEVC 編碼技術承襲現有的 H.264 編碼技術,包含幀內預測(intra prediction)、幀間預測(inter prediction)、轉換(transform)、量化(quantization)、去區塊濾波器(deblocking filter)、熵編碼(entropy coding)等模塊,全新 HEVC 編碼技術為提升壓縮率,將這些模塊整合成 3 個單元,解析度是編碼單元(coding unit,CU)、預測單位(predict unit,PU) 和轉換單位(transform unit,TU)。


H.264 編碼技術的編碼單位,每個宏塊固定為 16×16 像素,而 HEVC 編碼技術的編碼單位較為靈活,最小可以實現 8×8 像素編碼,最大可以實現 64×64 像素編碼。

H.264 幀內預測模式,支援 8 種方向調節,而 HEVC 幀內預測模式支持多達 33 種方向調節,且提供比 H.264 編碼技術,更好的矢量預測計算方法,和動態補償處理效果。

HEVC 編碼技術大幅提升壓縮比

HEVC 全新的編碼方式,有效提升了影像壓縮率,僅需原先的一半頻寬,即可播放相同品質的影像。眾所皆知,影像編碼的碼率是可以靈活控制的,以相同的影像品質為基準,HEVC 編碼技術相比 H.264 編碼技術,能夠在影像容量減少大約 39~74%,並且還能獲得比 H.264 影像更好的信噪比(PSNR)效果。如此驚艷的表現,勢必巔峰整個顯示產業。

光4K編碼標準

超高清 4K 電視已經成為市場熱門,尷尬的是,目前 4K 影像內容極為匱乏,消費者購買 4K 電視依舊只能觀看 1080P 全高清影像,可謂大材小用。

根據我們的經驗,藍光標準的發佈奠定了 1080P 曠日持久的影響力,而 4K 影像想要有所作為,藍光 4K 標準是極為重要的推助器。如果說 H.264 編碼技術為 1080P 而生,那麼 HEVC 編碼技術則為藍光 4K 而生。

藍光 4K 標準/8KSuper Hi-Vision)均採用 HEVC 編碼技術

HEVC 編碼技術有著驚人的壓縮率,加上靈活的宏塊像素技術,這對於 Ultra HD 4K/8K 超高清解析度極為重要,於 2015 年春季頒布的藍光 4K(3840×2160)標準,已採用 H.265/HEVC 編碼標準,HEVC 編碼技術能夠大幅降低藍光 4K 光碟的容量需求,對於推進 4K 產業發展,有極其重大的意義,隨著藍光光碟技術的不斷演進,HEVC 格式有望影響未來的 8K(7680×4320)標準。

HEVC 編碼大幅提升網路影像畫質

網路影像將由 HEVC 編碼主導
HEVC 編碼技術「事半功倍」的壓縮率,還能夠在網路線上視訊領域發揮巨大作用,舉例來說,使用者家中 10M 網路頻寬觀看 H.264 720p 網路影像體驗出色,觀看 H.264 1080p 網路影像則卡頓嚴重,透過 HEVC 編碼後的 1080p 的網路影像,則可以在 10M 網路頻寬下流暢觀看(H.264 720p/HEVC 1080p 頻寬需求接近)。因此,HEVC 編碼技術在同樣的網路頻寬下,有效提升網路影像的畫質表現。

HEVC 編碼技術為 iPhone 使用者節約流量費用
iPhone 6/Plus 官方支援 H.265(HEVC)編碼技術 —— 截取蘋果(中國)官方網站

蘋果 FaceTime 是一項十分受歡迎的視訊通話技術,支援 WiFi 和蜂窩數據連接,蜂窩數據不同的地點接收到的信號不同,數據傳輸不如 WiFi 穩定,透過 HEVC 影像編碼,可以大幅降低蜂窩數據需求,相比以往 FaceTime 視訊通話,可獲得更出色的體驗,更重要的是 HEVC FaceTime 可大幅降低 iPhone 使用者的流量費用,如果您已經購買了最新款 iPhone 手機產品,建議在通用設置中,將 FaceTime 選項設置為 H.265/HEVC 格式。

HEVC 影像文件容量:HEVC/1080p 容量小於 H.264/720p
對於大多數讀者而言,HEVC 編碼技術的技術解析,是比較枯燥乏味的,沒關係,我們只需知道 HEVC 編碼技術「僅需原先的一半頻寬,即可播放相同品質的影像」即可,那麼 HEVC 影像文件的壓縮率真的有如此驚人嗎?一起來看看。


720p(H.264)/1080p(H.264)/1080p(HEVC)對比測試素材

筆者為這篇評測準備了《美國隊長2:酷寒戰士》《極速快感》蜘蛛人:驚奇再起三部電影的完整版文件,透過 Windows 7 系統自帶的文件屬性查看容量,重要資訊紅邊框標出,同時用文字資訊標注格式和容量。

上圖將所有文件 Ctrl+All 總容量顯示為 68.5GB(特別說明:以上影像均為測試素材,均已刪除)

美國隊長2:酷寒戰士》影像文件容量對

《極速快感》影像文件容量對


蜘蛛人:驚奇再起影像文件容量對


可以看到,三部電影的 HEVC 影像文件容量,不僅大大小於同為 1080p 的 H.264 影像文件,甚至還要小於 H.264/720p 影像文件。為了更直接的體現三種格式影像文件,容量上的差異,具體看下表:

文件容量照表

前面我們說過,H.264 編碼技術的編碼單位,每個宏塊固定為 16×16 像素,而 HEVC 編碼技術的編碼單位較為靈活,最小可以實現 8×8 像素編碼,最大可以實現 64×64 像素編碼。H.264 幀內預測模式支援 8 種方向調節,而 HEVC 幀內預測模式支援多達 33 種方向調節,因此,H.264 編碼下的 720p 文件容量大約是 1080p 文件容量的一半,比較固定。

相比之下,HEVC 影像編碼文件的容量比較靈活,以《美國隊長2:酷寒戰士》為例,同為 1080p 解析度編碼,H.264/1080p 文件容量,幾乎是 HEVC 編碼文件的 3 倍,HEVC 編碼文件甚至只有 H.264/720 編碼的 2/3 大小,相當的驚人。《極速快感》蜘蛛人:驚奇再起亦是如此,只不過幅度沒《美國隊長2:酷寒戰士》那般誇張。

種格式畫質對比:720p 遭屠殺
從容量對比來看,HEVC 影像編碼技術毫無懸念的取得了勝利,三種格式容量對比,HEVC 格編碼文件容量,遠遠小於 H.264/1080p 編碼文件,甚至小於 H.264/720p 編碼文件。那麼實際效果如何呢?請特別注意標注紅框內的圖像信息差異,結果一目瞭然。

《美國隊長2:酷寒戰士》三種格式畫質對比


《極速快感》三種格式畫質對

蜘蛛人:驚奇再起種格式畫質對

透過對比,牆上的文字、名片上的文字,以及人物臉部的特寫來看,解析度處於劣勢的 720p 顯得力不從心,畫面較為模糊,尤其是名片上的文字資訊幾乎無法辨識,相比之下,兩種不同 1080p 格式文件,畫面要銳利許多。

從色彩的角度來看,三種格式比較接近,不過 720p 色彩過渡略顯生硬,沒有 1080p 顯得自然。

重點要說的是,HEVC/1080p 編碼不僅畫質遠遠高於 H.264/720p,容量卻更為小巧。由此可見,HEVC 編碼並未因提升圖像壓縮率而犧牲畫質,表現絕贊。
點對點圖像比:HEVC 表現驚艷
H.264/720p 編碼格式在 HEVC/1080p 編碼格式面前,潰敗的十分徹底,因此兩者之間更多的比較已無意義。

拋開容量差異不說,從初步對比的結論來看,H.264/1080p 編碼格式和HEVC/1080p 編碼格式的最終畫質十分接近,那麼 HEVC/1080p 編碼格式的畫質果真達到 H.264/1080p 水準了嗎?接下來,我們不妨透過「點對點」圖像資訊,再次進行對比驗證。

《美國隊長2:酷寒戰士》1080p點對點圖像比較


《極速快感》1080p點對點圖像比較


蜘蛛人:驚奇再起1080p點對點圖像比較

儘管筆者也希望能夠找到 H.264/1080p 編碼格式,和 HEVC/1080p 編碼格式的畫質差異,HEVC 編碼技術號稱「僅需原先的一半頻寬即可播放相同品質的影像」這句話並沒有半點吹噓,透過 1080p 點對點圖像,進行細緻的比較,兩者之間幾乎感受不到任何差異,不得不說 HEVC 編碼技術有著極其強悍的編碼實力。

HEVC 編碼技術的秘密:降低碼率
同樣 1080p 解析度下,HEVC 編碼文件容量不足 H.264 編碼文件的一半,更為先進的編碼技術自不必說,然而容量直接減半的關鍵,還在於影像碼率的降低。以下是三部電影 H.264/1080p,以及 HEVC/1080p 編碼格式的解碼資訊。

《美國隊長2:酷寒戰士》解碼資訊

《極速快感》解碼


蜘蛛人:驚奇再起解碼資訊

標注的紅框內有兩個重要資訊,一個是 CPU 使用率,另一個則是影像解碼器和碼率資訊。從 CPU 使用率來看,H.264/1080 硬解,和 HEVC/1080p 硬解區別不大,HEVC 編碼格式的 CPU 使用率,僅僅是略高於 H.264 編碼格式,最新版完美解碼播放器,對 HEVC 編碼格式的支援十分到位(後續我們會試試終極解碼,以及其它的播放器)。

完美解碼解碼資訊中的解碼器顯示,H.264 解碼器為 H.264,HEVC 解碼器為 HEVC。而更重要的是,三部電影的 HEVC 編碼格式的碼率,大約只有 H.264 編碼格式的一半,甚至不足一半。比如《美國隊長2:酷寒戰士》碼率對比是7411:3000;《極速快感》碼率對比是 942:665;蜘蛛人:驚奇再起碼率對比是9826:4705,這才是 HEVC 編碼格式容量大幅降低的關鍵所在。

HEVC 編碼技術直接競爭對手 —— Google VP8/WebM
文章最後,我們回顧兩個重要的時間點,有關 H.264 和 HEVC 編碼技術。早在 1999 年,H.264 編碼技術已比較完善,然而,國際電信聯盟(ITU)一直到 2003 年 3 月才正式審核通過 H.264 編碼標準。

2012 年 8 月愛立信推出就首款了 H.265 編碼器,半年後的 2013 年 2 月,國際電信聯盟(ITU)規範,以驚人的速度通過 H.265 標準審核。
Google VP9/WebM 影像編碼技術十分强大
為何 H.264 和 HEVC 編碼技術的待遇,差距如此之大?原因是 HEVC 編碼技術有一個強大的競爭對手,HEVC 必須盡快建立標準來抗衡。

這個對手就是 Google VP9/WebM 影像編碼技術,目前 Google VP8/WebM 編碼技術,主要針對 HTML5 和雲播放領域,Google 旗下的 YouTube 視訊網站,已採用 VP8/WebM 編碼技術進行編碼(未來會採用 VP9/WebM 編碼技術),考慮到 YouTube 的強勢,Google VP9/WebM 編碼技術,是 HEVC 編碼技術不得不重視的對手

所幸的是,在家電領域,目前 Google 的影響力相對有限,三星、索尼LG、夏普、松下、蘋果等國際巨頭的支援 HEVC 編碼技術,有著相對光明的前景。2015 年春季,藍光 4K 標準已採用 HEVC 編碼格式(幾乎板上釘釘),那麼 HEVC 編碼格式的未來,將無需擔憂。

● HEVC 影像編碼已經開始造福百姓,並將持續影響著整個視訊影像產業

High Efficiency Video Coding(高效影像編碼

對岸中國的搜狐視頻和迅雷視頻,已經開始採用 HEVC 編碼技術進行影像處理,力求使用者可以獲得流暢的高品質影像體驗。目前許多高清論壇,也有將經典電影內容「洗版」HEVC 編碼的趨勢,此舉可為高清收藏控,提升可觀的儲存空間利用率。

展望未來,無論是即將出台的藍光標準,還是未來的 8K 超高清技術,更是離不開 HEVC 編碼技術的支持。

綜上所述,HEVC 編碼技術,已經開始並將持續影響著整個視訊影像產業。


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