基于H.265标准下的IPTV 4K编码技术

姚俊伍 江苏省广播电视总台新媒体事业部

基于H.265标准下的IPTV 4K编码技术

姚俊伍 江苏省广播电视总台新媒体事业部

H.265是ITU-T继H.264之后制定的新的视频编码标准。H.265使用先进技术用以改善码流、编码质量，达到最优化设置。本文对该技术的内容和特点进行了介绍，对其在IPTV 4K业务的应用进行了探讨。

H.265 4K 编码 IPTV

一、前言

随着广播电视技术的不断发展，用户对视频的质量要求越来越高，从标清到高清，从高清到4K乃至8K已成为了广电行业发展的趋势。在国内IPTV市场，相关的运营商、内容商开始陆续开展4K业务，4K产业链日趋成熟。H.265标准已成为4K业务迅速发展的重大推动力。

二、4K和H.265编码简介

4K是新兴的数字电影及数字内容的分辨率标准，能够更好展现画面的细节，其UHDTV规格分辨率可以达3840×2160，最高的Full Aperture 4K（影院标准）规格分辨率更是达到了4096×3112。相对现在主流1080P的 1920×1080分辨率，4K能够提供4倍于HDTV的分辨率。

目前世界上的视频编解码标准主要来自两个组织，国际电联ITU-T和国际标准化组织ISO，ITU的H.26x系列标准经过了H.261，H.263，H.263+的发展过程。ISO的标准则是MPEG1，MPEG2到MPEG4，之后两个标准化组织合作成立了JVT，推出了迄今为止最有效的视频压缩标准，H.264/AVC。但是ITU-T在H.264取得成功的时候就对视频编解码技术做了更长远的设想，规划了新一代视频编解码标准H.265。

H.265又称为HEVC（全称High Efficiency Video Coding，高效率视频编码，本文统称为H.265），是ITU-T H.264/MPEG-4 AVC标准的继任者。2004年开始由ISO/IEC Moving Picture Experts Group（MPEG）和ITU-T Video Coding Experts Group作为ISO/IEC 23008-2 MPEG-H Part 2或称作ITU-T H.265开始制定。第一版的HEVC/H.265视频压缩标准在2013年4月13日被接受为国际电信联盟（ITU-T）的正式标准。理论上H.265比H.264效率提高30-50%（尤其是在更高的分辨率情形下）。

H.265旨在在有限带宽下传输更高质量的网络视频，仅需原先的一半带宽即可播放相同质量的视频。这也意味着，智能手机、平板机等移动设备将能利用4G数据业务直接在线播放1080p的全高清视频。H.265标准也同时支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清视频。可以说，H.265标准让网络视频跟上了显示屏“高分辨率化”的脚步。

H.264技术使高清1080P在全球得到广泛应用，但是4K的潮流，H.264却难以继续赶上。H.264视频压缩率技术难以实现大的突破，随着数字视频应用产业链的快速发展，已无法满足视频压缩和传输的需求。尤其是4K分辨率相比目前的高清1080P分辨率提高了4倍，即在同样编码格式下，码率也会提高四倍，如果用H.264编码，4K编码的码率将达到30Mbps以上。

随着H.265技术日趋成熟，H.265超高的编码特性能有效降低编码码率，能够在H.264编码的基础上，进一步降低40%的码率，即可以在15-20Mbps带宽下实现4K的编码，使得通过运营商网络传输4K视频成为可能。H.265标准在同等的内容质量上会显著减少带宽消耗，H.265和4K的结合将推动4K业务的不断发展。

三、H.265标准的优势和关键技术

H.263可以2-4Mbps的传输速度实现标准清晰度广播级数字电视（符合CCIR601、CCIR656标准要求的720*576）；而H.264由于算法优化，能以低于2Mbps的速度实现标清数字图像传送；H.265 High Profile 则可实现在低于1.5Mbps传输带宽下，实现1080p全高清视频传输。

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了改进，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。各种先进技术共同作用，使H.265获得了性能的显著提升。

3.1 四叉树编码结构，拥有更大的宏块和变换块

相对于H.264的4×4、8×8、16×16宏块类型，H.265引入了32×32、64×64甚至于128×128的宏块，目的在于减少高清数字视频的宏块个数，减少用于描述宏块内容的参数信息，同时整形变换块大小也相应扩大，用于减少H.264中变换相邻块间的相似系数。图1为编码单元、变换单元的四叉树结构关系图，其中虚线为变换单元四叉树分割，实线为编码单元四叉树分割，编号为各编码单元的编码顺序。

图1 四叉树结构关系图

图2左图是H.264标准，每个宏块大小是固定的；右图3是H.265标准，编码单元大小是根据区域信息量决定的。

图2 H.264标准，仅支持16×16宏块

图3 H.265标准，最高支持64×64宏块

3.2 使用新的MV(运动矢量)预测方式

区别于H.264基于空间域的运动矢量预测方式，H.265扩充更多的方向进行帧内预测，同时将预测块的集合由原来的空间域扩展到时间域及空时混合域，通过率失真准则计算后选择最佳的预测块。使用该方法，采用基本模式环境测试，在与H.264相同质量的情况下，得到平均为6.1%的压缩增益，复杂图像的压缩增益甚至能提高20%。

图4 MV运动矢量预测方式

同时，H.265也采用了先进的帧间预测技术，其中包括：

(1)广义B预测技术

对传统P帧采取双向预测方式进行预测，前向和后向参考列表中的参考图像都必须为当前图像之前的图像，且两者为同一图像，这种运动预测方式增加了运动估计的准确度，提高了编码效率。

(2)高精度运动补偿技术

H.265的编码器内部增加了像素比特深度，最大可支持12bit的解码图像输出，提高了解码图像的信息精度。

(3)运动融合技术

将以往跳过预测模式和直接预测模式的概念进行整合。采用融合模式时，当前PU块的运动信息都可以通过相邻PU的运动信息推导得到。编码时，当前PU块只需要传送融合标记以及融合索引，无需传送运动信息。

3.3 环路滤波

环路滤波包括3个环节：

(1)去块滤波

在H.264的去块滤波技术的基础上发展而来的，但为了降低复杂度，目前的HM模型取消了对4x4块的去块滤波。

(2)采样点自适应偏移

(3)自适应环路滤波

3.4 H.265更快、更强

高清视频在生活中的的应用越来越普及，由此带来了存储成本与存储空间的急剧上升。与正在使用的H.264编码技术相比，H.265的高压缩率特性能够节省一半左右的存储空间，从而显著降低了视频的存储成本。H.265和H.264的技术特点比较见表1。

表1 H.265和H.264的技术特点比较

H.265和H.264编码能力的对比见表2。

表2 H.265和H.264编码能力的对比

H.265拥有更低的传输码率。同等图像质量下，数据量只有MPEG2的1/16，MPEG4的1/6，H.264的 1/2。图5是同等图像质量的数据量比较。

图5 同等图像质量的数据量比较

H.265和H.264压缩能力的对比见表3。

表3 H.265和H.264压缩能力对比

四、应用与展望

江苏广电总台IPTV运营部与电信运营商合作，通过搭建超高清直播传输及信号播控系统，对2015年足协杯决赛首场比赛、江苏卫视跨年演唱会进行了基于H.265标准的4K直播，这是国内IPTV平台中首次进行的4K超高清直播的尝试。相比高清直播，4K超高清直播展现的更加细腻真实的画面，赢得了运营商和用户的一致好评。IPTV运营部还于2015年6月，正式推出基于H.265标准的江苏IPTV 4K点播业务，短短数月内发展迅猛，用户数量直线上升。目前4K点播专区已有4K点播节目300余部，省内已拥有近百万4K用户。

在IPTV业务高清化、4K化不断发展的趋势下，对于网络带宽、存储空间都提出了新的要求。据统计，目前国内视频业务已占据了运营商网络流量中最大的份额。江苏广电总台IPTV运营部目前每年电视节目内容的生产存储量在80-90T左右，这一数字每年还在不断增长中。因此，在IPTV业务的发展过程中，如何采用更加高效的视频压缩技术，确保较经济的存储成本，在有限的带宽下获得更好的视频质量和流畅度，将决定业务发展的优劣。H.265无疑是解决这一问题的关键，对于推动IPTV 4K业务的发展有重大的意义。