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02 7月, 2015

H.265 HEVC 詳解

H.265

肩負縮小影片所需資料流量,以舒緩繁重的網路負擔外,同時也是 4K UHD 解析度影片編碼的不二人選。

以目前主流的HD影片來推估,並以下列條件進行試算:

解析度=1920 x 1080
顏色取樣深度=24bit(R、G、B各色8bit)
每秒幀數=60幀
那麼每秒需要的流量可能是多少?
1920 x 1080 x 24bit x 60=2985984000bit
2985984000bit/8bit/1024/1024=355.957MB

以2小時的電影來說,就需要佔用2.44TB的儲存空間,大約需要使用50片雙層藍光光碟才能裝得完(而且以上估算還不包括音訊部分),更罔談以網路即時串流,影片壓縮的重要性可見一斑。

以目前主流的藍光光碟為例,採用大部分H.264編碼格式的影片流量落於20至25Mbps之間,壓縮率大約為113.9至142.38倍之間,節省的空間相當可觀。即便H.264的壓縮能力足夠滿足目前使用需求,但是遇到解析度更高的4K UHD格式,還是顯得捉襟見肘,需要尋求壓縮效率更好的編碼器,才能將影片壓縮到適合傳輸與儲存的流量範圍。

▲由此圖可以看出各種不同解析度的尺寸差異,4K UHD的解析度為HD的4倍,與480P相比,差距更是高達24倍。

▲規格比較表

節省一半流量

H.265的研發目的從命名就可以看出端倪,H.265又名HEVC(High Efficiency Video Coding,高效率視訊編碼),其最主要的用途就是要進一步降低影片所需的流量,以降低儲存與傳輸的成本。以上述27項提案中最重要3項為例,H.265要求在最佳的編碼範本(profile)中,能在維持相同PSNR的前提下,節省以H.264壓縮的1080P影片36%左右的資料量,並且能在影像品質差不多時,將節省的幅度進一步提升到50%。

而第3項重要提案,則是針對壓縮、解壓縮所需的運算量做出限制,以最佳編碼範本進行H.265編碼所需的時間,只能比H.264編碼多出10%,而解碼時間則是可以多出60%。有趣的是,限制H.265的運算量需求,勢必會降低它的編碼效率,恰巧與節約流量的初衷相互矛盾,但是會做出這種決定,其目的不外乎是預想到日後解析度與每秒幀數更高的影片,會讓運算量大幅提高,先做出折衷的限制,才能在處理器或是行動裝置效能足夠負荷的前提下,盡可能提高壓縮效率。

僅支援循序掃瞄

為了要節省影片資料流量,有些媒體會以交錯掃描(interlaced scan)進行傳輸,交錯掃描的原理為將影片依照掃瞄線(即水平方向像素)將畫面拆分為2個群組,奇場群組包含第1、3、5……等奇數條掃瞄線,偶場群組則包含偶數條掃瞄線,奇場、偶場群組會在螢幕上交替播出,在快速輪換的結果下,人眼就會因視覺暫留而看到完整畫面。

雖然交錯掃描可以降低影片資料流量,但是對畫質仍會造成一定影響,尤其是高速移動的物體,容易在邊緣產生抖動或毛邊等干擾。循序掃描(progressive scan)則是每次都傳送完整畫面,雖然會佔用較多流量,但可以提供較佳畫質。

由於目前的顯示器皆以循序掃描模式運作,因此H.265設計時並不支援交錯掃描方式進行編碼,但若為了節省流量或其他因素,編碼器可以透過參考資料語法(metadata syntax),將完整畫面在編碼前先拆分為奇場及偶場群組,編碼器會將2個不同的群組視為不同影片來源,分別進行編碼工作,以此變通方式達成儲存交錯掃描影片的需求。

▲交錯掃描會將畫面分為機奇場與偶場群組,並在播放時交替播出,如此就可以減少資料流量。

新一代影像編碼格式 H.265 完全析解,流量省一半,檔案更小更美

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