H.265

H.265 (также известный как High Efficiency Video Coding, HEVC) — это стандарт сжатия цифрового видео, разработанный как преемник H.264/MPEG-4 AVC. Он позволяет достичь такого же визуального качества, как и его предшественник, при вдвое меньшем битрейте, что эквивалентно уменьшению размера файла или полосы пропускания вдвое. Стандарт был разработан совместной группой экспертов по видео (JCT-VC), объединяющей экспертов из ISO/IEC MPEG и ITU-T VCEG. Первая версия стандарта была утверждена в январе 2013 года.

История создания и развития

Разработка H.265 началась в 2004 году, когда стало очевидно, что возможности H.264 приближаются к своему пределу. Основной целью было создание кодека, способного эффективно обрабатывать видео сверхвысокой чёткости (4K и 8K), а также видео с высоким динамическим диапазоном (HDR) и высокой частотой кадров.

В 2010 году была сформирована совместная группа JCT-VC. К 2012 году был разработан финальный проект стандарта, который в 2013 году был официально опубликован как ITU-T H.265 и ISO/IEC 23008-2. В 2014 году вышла вторая версия стандарта, включающая поддержку расширений для кодирования видео с расширенным диапазоном (RExt), масштабируемого видео (SHVC) и многовидового видео (MV-HEVC), используемого для 3D-видео и виртуальной реальности.

Технические особенности и принцип работы

H.265 основан на тех же принципах гибридного кодирования, что и его предшественники (внутрикадровое и межкадровое предсказание, дискретное косинусное преобразование, энтропийное кодирование), но с рядом существенных улучшений.

Ключевые нововведения

1. Блочная структура (Coding Tree Units, CTU). В H.264 использовались макроблоки фиксированного размера 16x16 пикселей. H.265 вводит CTU, которые могут иметь размер от 64x64 до 16x16 пикселей. CTU может рекурсивно разбиваться на более мелкие блоки (Coding Units, CU), что позволяет более гибко адаптироваться к различным областям изображения. Крупные блоки эффективны для однородных участков (например, небо), а мелкие — для детализированных (например, трава или волосы).

1. Асимметричное разделение блоков предсказания (AMP). Для блоков предсказания (Prediction Units, PU) H.265 поддерживает не только симметричное разделение (на 2 или 4 части), но и асимметричное, когда одна часть блока значительно больше другой. Это повышает точность предсказания движения на границах объектов.

1. Улучшенное предсказание движения.

• Векторы движения с высокой точностью. Используются векторы движения с точностью до 1/4 пикселя, как и в H.264, но с улучшенными интерполяционными фильтрами.
• Расширенный диапазон векторов движения. Позволяет кодировать сцены с быстрым движением более эффективно.
• Слияние (Merge) и конкуренция движения. Позволяет кодировать вектор движения соседнего блока, а не вычислять его заново, экономя биты.

1. Улучшенное внутрикадровое предсказание. Количество направлений для предсказания текстуры внутри одного кадра увеличено с 9 (в H.264) до 35 (в H.265). Это обеспечивает более точное предсказание сложных текстур и границ.

1. Преобразование с переменным размером. H.265 поддерживает дискретное косинусное преобразование (DCT) с размерами от 4x4 до 32x32. Для определённых типов остаточного сигнала (например, для блоков 4x4) может использоваться дискретное синусное преобразование (DST).

1. Петлевые фильтры. Как и H.264, H.265 использует деблокирующий фильтр для сглаживания артефактов на границах блоков. Кроме того, был добавлен новый фильтр — SAO (Sample Adaptive Offset). SAO классифицирует пиксели по их характеристикам и добавляет к ним поправочные значения, что позволяет уменьшить полосовые искажения (banding) и улучшить общее качество изображения.

1. Энтропийное кодирование. В H.265 используется только один метод энтропийного кодирования — CABAC (Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding). Он был значительно оптимизирован по сравнению с H.264, что позволило увеличить скорость кодирования и декодирования.

Профили и уровни

Стандарт H.265 определяет несколько профилей (Main, Main 10, Main Still Picture и другие), которые задают набор поддерживаемых инструментов кодирования. Наиболее распространёнными являются:

• Main: Поддерживает 8-битную глубину цвета (256 оттенков на канал) и субдискретизацию цветности 4:2:0.
• Main 10: Поддерживает 10-битную глубину цвета (1024 оттенка на канал) и субдискретизацию 4:2:0. Это основной профиль для видео HDR и современного контента, так как 10 бит позволяют избежать полосовых искажений.

Уровни (Levels) определяют максимальные параметры видеопотока, такие как разрешение, частота кадров и битрейт. Например, Level 5.1 поддерживает 4K (3840x2160) при 30 кадрах в секунду, а Level 6.1 — 8K (7680x4320) при 60 кадрах в секунду.

Применение

H.265 широко используется в различных областях, где требуется эффективное сжатие видео высокого качества:

• Потоковое видео (стриминг): Крупные платформы, такие как YouTube, Netflix, Amazon Prime Video, используют H.265 для доставки контента в форматах 4K и HDR. Однако из-за лицензионных ограничений его распространение не столь всеобъемлюще, как у H.264.
• Цифровое телевидение: Стандарт DVB-T2 и DVB-S2X поддерживают H.265 для трансляции каналов высокой и сверхвысокой чёткости.
• Видеонаблюдение: IP-камеры и системы видеорегистрации (NVR/DVR) активно используют H.265 для уменьшения объёма хранимых архивов при сохранении высокого качества записи.
• Мобильные устройства: Современные смартфоны и планшеты поддерживают аппаратное кодирование и декодирование H.265, что позволяет записывать и воспроизводить видео 4K с низким битрейтом.
• Видеоконференции: Некоторые системы видеосвязи (например, Zoom, Microsoft Teams) поддерживают H.265 для улучшения качества при ограниченной пропускной способности.
• Хранение видео: H.265 используется для сжатия видеофайлов на Blu-ray дисках (в формате Ultra HD Blu-ray) и для архивирования видео.

Лицензирование и патентные споры

Одной из главных проблем H.265 является сложная и дорогая система лицензирования. В отличие от H.264, где патенты были объединены в один пул (MPEG LA), для H.265 сформировалось несколько конкурирующих патентных пулов (MPEG LA, HEVC Advance, Velos Media). Это привело к тому, что лицензионные отчисления за использование H.265 могут быть значительно выше и менее предсказуемыми, чем для H.264.

Эта ситуация вызвала критику со стороны многих компаний, включая крупных игроков рынка, таких как Google и Netflix. В ответ на это был разработан и активно продвигается открытый и бесплатный кодек AV1, который является прямым конкурентом H.265 и не требует лицензионных отчислений.

Сравнение с конкурентами

Интересные факты

• H.265 был первым стандартом видео, который изначально проектировался с учётом поддержки разрешения 8K.
• Стандарт H.265 содержит около 30 000 страниц технической документации.
• Аппаратное декодирование H.265 впервые появилось в мобильных процессорах Qualcomm Snapdragon 805 (2013 год) и в графических процессорах NVIDIA GeForce GTX 900 серии (2014 год).

Источники

1. ITU-T Recommendation H.265: High efficiency video coding.
2. ISO/IEC 23008-2: High efficiency coding and media delivery in heterogeneous environments.
3. Sullivan, G. J., Ohm, J. R., Han, W. J., & Wiegand, T. (2012). Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) standard. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology.
4. Bossen, F., Bross, B., Suhring, K., & Flynn, D. (2012). HEVC complexity and implementation analysis. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology.
5. Документация патентных пулов MPEG LA, HEVC Advance.