High Efficiency Video Coding

High Efficiency Video Coding (HEVC), также известный как H.265 и MPEG-H Part 2, — это стандарт сжатия цифрового видео, разработанный как преемник Advanced Video Coding (AVC/H.264). Он обеспечивает вдвое более высокую степень сжатия при сохранении субъективно одинакового качества изображения, что позволяет передавать видео сверхвысокой чёткости (Ultra HD, 4K, 8K) с меньшей битовой скоростью.

История

Разработка HEVC началась в 2010 году в рамках совместной деятельности Группы экспертов по кодированию видео (VCEG) Международного союза электросвязи (ITU-T) и Группы экспертов по движущимся изображениям (MPEG) Международной организации по стандартизации (ISO) и Международной электротехнической комиссии (IEC). Рабочая группа получила название Joint Collaborative Team on Video Coding (JCT-VC).

Первая версия стандарта была утверждена в январе 2013 года и опубликована как ITU-T H.265 и ISO/IEC 23008-2. В 2014 году вышла вторая версия, добавившая поддержку цветовых субдискретизаций (например, 4:2:2 и 4:4:4) и битовой глубины до 12 бит. В 2015 году была принята третья версия, включившая расширения для кодирования трёхмерного видео (3D-HEVC) и масштабируемого видео (SHVC). В 2016 году стандарт был расширен для поддержки HDR (High Dynamic Range) и широкой цветовой гаммы (WCG). Последующие поправки (2018–2022 годы) касались улучшения кодирования экранного контента (SCC) и других узкоспециализированных задач.

Технические особенности

HEVC основан на тех же принципах гибридного кодирования, что и его предшественники, но использует значительно более сложные алгоритмы для повышения эффективности сжатия.

Структура кодирования

В отличие от AVC, где макроблоки имели фиксированный размер 16×16 пикселей, HEVC использует иерархическую структуру на основе блоков кодирования (Coding Tree Units, CTU). Размер CTU может варьироваться от 16×16 до 64×64 пикселей. Каждый CTU рекурсивно разбивается на блоки кодирования (CB), которые, в свою очередь, делятся на блоки предсказания (PB) и блоки преобразования (TB). Это позволяет более эффективно адаптироваться к локальным особенностям изображения.

Интра-предсказание

HEVC поддерживает 35 режимов интра-предсказания (внутрикадрового предсказания), включая 33 угловых режима, DC-режим (равномерная заливка) и планарный режим (гладкий градиент). По сравнению с AVC (9 режимов), это позволяет точнее предсказывать текстуры и границы, уменьшая количество остаточной информации.

Интер-предсказание

Для межкадрового предсказания (предсказания движения) HEVC вводит несколько нововведений:

• Асимметричное разбиение блоков предсказания (AMP): позволяет делить блоки на части, не кратные степени двойки (например, 16×4 или 32×8), что улучшает точность предсказания движения на границах объектов.
• Векторы движения с дробной точностью: поддержка векторов с точностью до 1/4 пикселя (как и в AVC), но с улучшенными интерполяционными фильтрами.
• Слияние (Merge): позволяет наследовать векторы движения от соседних блоков, что снижает объём передаваемой информации о движении.

Преобразование и квантование

HEVC использует дискретное косинусное преобразование (DCT) с размерами блоков от 4×4 до 32×32, а также дискретное синусное преобразование (DST) для блоков 4×4 при интра-предсказании. Квантование осуществляется с помощью адаптивных матриц квантования, которые могут быть настроены для разных частотных полос.

Энтропийное кодирование

В HEVC применяется контекстно-адаптивное двоичное арифметическое кодирование (CABAC) — тот же метод, что и в AVC, но с улучшенной производительностью и меньшей вычислительной сложностью. CABAC позволяет эффективно сжимать битовый поток, используя вероятностные модели для каждого символа.

Производительность и качество

Стандарт HEVC обеспечивает снижение битовой скорости на 40–50 % по сравнению с AVC при одинаковом субъективном качестве изображения. Это означает, что видео HEVC может занимать вдвое меньше места или передаваться с вдвое меньшей пропускной способностью канала. Однако вычислительная сложность кодирования и декодирования HEVC значительно выше: по данным тестов, кодирование HEVC может требовать в 2–4 раза больше процессорного времени, чем AVC, а декодирование — в 1,5–2 раза.

Применение

HEVC широко используется в различных областях, связанных с передачей и хранением видео:

• Цифровое телевидение: стандарт применяется в системах спутникового, кабельного и эфирного вещания, особенно для каналов Ultra HD (4K). Например, в России HEVC используется в рамках проекта «Цифровое телевидение» для трансляции некоторых каналов в формате 4K.
• Потоковое видео: сервисы, такие как Netflix, Amazon Prime Video, YouTube (частично), используют HEVC для доставки контента в высоком разрешении, особенно на устройства с ограниченной пропускной способностью.
• Видеоконференции: приложения, такие как Zoom и Microsoft Teams, поддерживают HEVC для улучшения качества видео при низкой скорости интернета.
• Хранение видео: HEVC применяется в камерах видеонаблюдения, видеорегистраторах и архивах для сокращения объёмов хранимых данных.
• Мобильные устройства: большинство современных смартфонов и планшетов имеют аппаратную поддержку декодирования HEVC, что позволяет записывать и воспроизводить видео 4K с высоким качеством.

Лицензирование и патентные споры

Одним из главных препятствий для широкого внедрения HEVC стали сложные и дорогие условия лицензирования. Патенты на HEVC принадлежат нескольким десяткам компаний, объединённых в три патентных пула: MPEG LA, HEVC Advance и Velos Media. В 2015–2019 годах между этими пулами и крупными технологическими компаниями (включая Google, Apple, Microsoft) велись судебные разбирательства по поводу размера роялти и условий лицензирования. В результате, многие производители устройств и сервисов предпочли перейти на открытые и бесплатные альтернативы, такие как AV1 и VP9.

Критика и альтернативы

HEVC критикуют за:

• Высокую стоимость лицензирования: по оценкам, лицензионные отчисления за HEVC могут составлять до 0,5 % от стоимости устройства или 0,1 доллара за единицу, что значительно дороже, чем для AVC.
• Сложность реализации: алгоритмы HEVC требуют мощных аппаратных ускорителей, что увеличивает стоимость производства чипов.
• Отсутствие единой лицензионной схемы: наличие нескольких патентных пулов создаёт правовую неопределённость для разработчиков.

Основными альтернативами HEVC являются:

• AV1 (разработан Alliance for Open Media) — открытый и бесплатный кодек, обеспечивающий сжатие, сопоставимое с HEVC, но без лицензионных отчислений.
• VP9 (разработан Google) — бесплатный кодек, широко используемый в YouTube и браузере Chrome.
• H.266/VVC (Versatile Video Coding) — стандарт следующего поколения, утверждённый в 2020 году, который обещает ещё более высокую степень сжатия (на 30–50 % выше HEVC), но также имеет сложные лицензионные условия.

Интересные факты

• HEVC был первым стандартом видео, который поддерживал разрешение до 8K Ultra HD (7680×4320 пикселей).
• В 2014 году HEVC был включён в стандарт DVB (Digital Video Broadcasting) для цифрового телевидения.
• Аппаратная поддержка декодирования HEVC впервые появилась в процессорах Intel Skylake (2015 год) и мобильных чипах Apple A8 (2014 год).
• В 2017 году компания Fraunhofer IIS (один из разработчиков HEVC) выпустила бесплатный программный кодер HEVC для некоммерческого использования.

Источники

• ITU-T Recommendation H.265: High Efficiency Video Coding (HEVC). — International Telecommunication Union, 2013.
• ISO/IEC 23008-2:2013: Information technology — High efficiency coding and media delivery in heterogeneous environments — Part 2: High Efficiency Video Coding. — ISO, 2013.
• Sullivan, G. J., Ohm, J.-R., Han, W.-J., Wiegand, T. Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard. — IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2012, vol. 22, no. 12, pp. 1649–1668.
• Bossen, F., Bross, B., Suhring, K., Flynn, D. HEVC Complexity and Implementation Analysis. — IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2012, vol. 22, no. 12, pp. 1685–1696.
• MPEG LA. HEVC Patent Portfolio License. — MPEG LA, 2015.
• Alliance for Open Media. AV1 Bitstream & Decoding Process Specification. — AOM, 2018.