什么是HEVC/H.265?4K影片真的需要HEVC吗?

什么是 HEVC / H.265?

相机、手机,甚至电视都在谈4K影片的拍摄与播放,可见未来10年都是4K影片的天下。 4K UHD 的尺寸是3840 x 2160,比高清HD的1920 x 1080大了4倍,占用的存储空间也顺理成章多了4倍。 意味下载和流时,需要更多时间,或更大带宽。 如果希望占用空间、下载时间及带宽使用量都不变,便需用上新科技,高效视讯编码(HEVC)便是为此而生。 HEVC 的全写是 High Efficiency Video Coding,也被称为 H.265。

所有新技术都需要时间来普及。 幸运地,4K UHD 蓝光碟(Blu-rays)已陆续地采用了 HEVC 编码,而著名影片播放软件 VLC 的 3.0 版本也支持 HEVC 解码了,加上 iPhone 影片已经直接以 HEVC 来压缩,这些都加快了 HEVC 普及的步伐。

现在的AVC/ H.264

上段尾部出现了「压缩」这个词汇,说穿了所谓的编码其实就是视频压缩的算法。 Blu-ray 里的视频,还是 YouTube 上的视频都是经过压缩的,否则,档案的大小会增加几十倍。

聪明的读者一定猜到进阶视频编码 (Advanced Video Coding, 简写 AVC) / H.264 是现今普及的视频压缩技术,而 HEVC / H.265 则是次世代的王者。 在说明 HEVC 何解比 AVC 出色前,先了解一下影片的压缩原理。

侦内压缩

每帧(Frame)影片上,压缩算法先把影像分割成若干小区块,再找出拥有相近颜色的区域,如天空、墙壁、水泥路。 记录每一区块的颜色总比记录每一像素的色彩来得省位,达至「瘦身」之效。

由于整个压缩过程只参考到影片上的一帧,此算法被叫作「侦内压缩」(Intra-frame compression)。

侦间压缩

AVC / H.264 除运用「侦内压缩」外,也会检查前后数帧来算出可压缩的部份。 由于牵涉数帧视频,此算法被名为「侦间压缩」(Inter-frame compression)。


侦间压缩的原理很简单。 同样地,算法会把画面分割成许多小区块,然后寻找每帧影片间,哪些小区块是不变的。 如以脚架拍摄人物,只有主角在大幅度移动。 既然往后数十帧的背影都不变,何不只记录一帧的背景, 再把它重复套到往后的影像上。 以每秒 60 帧计,一秒的背景定格已可节省不少存储空间。

当然,以上的侦内和侦间压缩原理都被简化了,真实的算法涉及很繁杂的数学运算,也需要平衡压缩比率与画质。

新的 HEVC / H.265

为什么 HEVC / H.265 会是下一代的视频编码制式? 只因它的视频压缩技术比 H.264 更有效率。

其实 H.264 在压缩技术上已非常出色,容许不同形状及大小的小区块,可惜区块的最大尺寸限于 16 x 16 像素。 H.265 把它轻轻改良,把小区块的最大尺寸增至 64 x 64,是 16 x 16 的 16 倍,减少了需要被记录的区块数量,档案的大小也相继变小了。 还有,HEVC 可以把文件压缩得比 AVC 少一半,但仍能保持相同的画质。 这点很重要,4K 影片的尺寸比 HD 的大了 4 倍,但画质不变,只是档案略大了一点。 这样,数据中心和用家都不用刻意增加存储空间和带宽。

缺点

更高的压缩比率意味套用了更复杂的算法,更大量的数学运算。 别忘记,普及的帧率(Frame Rate)已由 24/fps 增至 60/fps。 更繁复的算式和更高的帧率都大大影响到播放 4K 影片的流畅度。

和其他码编一样,可以使用软件以CPU替HEVC解码,或使用支持HEVC的显卡,以硬件(GPU)来解码。 无论使用CPU还是GPU解码,它们都要支持HEVC,否则不可流畅地播放HEVC视频。 Intel 和 AMD 第 6 代或以后的 CPU 和 NVIDIA GeForce 950 或更新的显卡都可流畅地播放 HEVC。 别忘了播放软件也需要支持HEVC编码,幸运地,鼎鼎大名的VLC 3.0已支持HEVC。

随着更多硬件和软件对HEVC的支持,相信它很快便会普及起来。

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