以低位元率實現高品質影像 HEVC成4K視訊編碼新顯學
H.265成下一代視訊編碼標準
H.265亦稱為高效率視訊編碼(HEVC)，是最近通過ITU-T核准與認可的視訊轉碼標準，以做為廣泛使用的H.264標準的直接銜接版本。業界預期，H.265將能迅速獲得製造商和內容供應商的採用與部署，特別是在行動視訊傳送和4K Ultra-HD TV廣播等應用領域。
目前市面上看到的HEVC軟體解碼解決方案幾乎都是針對消費性電子所打造，全部任務都在中央處理器(CPU)上執行或採用繪圖處理器(GPU)運算來加速HEVC解碼。
但對下一代產品來說，會需要基於硬體的HEVC解碼和編碼，才能滿足所需效能，並將功耗降至最低。多重串流和4K是硬體式編碼和解碼技術的主要推動力量，矽智財(IP)須專為此需求而設計。
H.265編碼複雜度劇增
與先前的編解碼器建置相比，H.265視訊編碼的複雜度高了十倍。HEVC會將訊框分割為多個小區塊(CU)，然後在每個CU中進行影像的預測和轉碼。
根據不同紋理，HEVC最多能處理64×64畫素的不同區塊，並變更區塊的大小。前一代的H.264標準僅能處理最大尺寸為16×16畫素的區塊。與H.264/MPEG-4高級視頻編碼(AVC)相比，處理較大的區塊面積能讓HEVC達到更高的壓縮或更高解析度，並提升平行處理效率(圖1)。
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| 圖1 H.265可處理較大的區塊面積，更能強化編碼效率。 |
不管是為行動或消費性裝置所設計的視訊編碼標準，主要是希望能取得最高的編碼效率。這意味著，最好能以最低的位元率來進行視訊編碼或解碼，並同時維持一定水準的視訊品質。
在多項研究中已將H.265的編碼格式之一–Main Profile和其他現行標準的類似配置(Profile)做了編碼效率的比較，這些都是今日仍在使用的視訊標準。這些比較通常是針對各種應用情況下的視訊編碼，以及不同位元率對應到特定視訊測試順序下的結果。
目前為止，不管是根據客觀的或主觀的評估，HEVC都展現出能顯著地減少位元率，使其成為以低位元率提供高品質視訊的理想方案。
編碼器功能/複雜度 攸關H.265視訊品質
使用H.265時，必須要明白，僅單純用它來做視訊壓縮並不能保證品質。的確，HEVC視訊的品質將取決於編碼器的複雜度和功能完整與否而定。
事實上，採用次等級的軟體解決方案或低品質的HEVC編碼器，會產生比今日最佳H.264解決方案更糟的結果。影響編碼器品質的因素包括動態搜尋的演算法和範圍、工具組建置及速率控制的演算法。
目前市場上另一個更有趣的爭辯，是與基於GPU運算的HEVC軟體解碼有關。我們相信，這些解決方案是為了沒有專屬硬體支援的現有平台建置，而須執行某些相關應用的合理第一步；1,080p的HEVC就是其中一個例子。但是，硬體視訊轉碼可提供絕佳的優勢與特性(10位元色彩、YCbCr 4：4：4解析度等)；所以，最終大部分平台都將建置硬體視訊編解碼器。
HEVC、4K解析度及對更高訊框率的需求的結合，意味著運算核心的功耗至關重要。如果設計不當，核心可能會使整體系統功耗大幅提升。
我們預測，大部分OTT(Over The Top)的服務都將移轉到HEVC，以便將內容傳送到行動電話；同時視訊會議業者將發揮此標準更佳品質與較低位元率的優勢，以提供更好的影像解析度。
10位元色彩將成主流
10位元色彩將成主流
最近針對4K及8K電視所發布的標準稱為ITU-R BT.2020，它已為更寬廣的色彩選擇和增加的位元深度(Bit Depth)做出建議，以顯著提升電視畫面的品質。
雖然BT.2020仍在開發階段，它提供的優勢將能推動10位元色彩在4K電視和HEVC的應用上，將能被快速和廣泛地採用。根據ITU-R BT.1361和BT.2020標準的建議，4K解析度的H.265(HEVC)轉碼必須採用10位元色彩。
為了進一步了解這項建議的意義，現行的HDTV Rec.709標準為紅、綠和藍規範了以下的X-Y座標值：R=(0.640,0.330)、G=(0.300,0.600)、B=(0.150,0.060)。這些是這三種色彩的特定座標位置，如圖2中所畫的較小的三角形。這些座標所描繪的色域(Colour Gamut)是合理的，但顯而易見，這與我們在真實世界中體驗到的並不一樣。任何落在三角形以外的色彩，並不能保證一定會被相機擷取、編碼到磁碟中，或正確地在電視上顯示。相對地，BT.2020建議的座標值如下：
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| 圖2 Rec.709和BT.2020標準的色域範圍 |
R=(0.708,0.292)、G=(0.170,0.797)、B=(0.131,0.046)，即為圖2中較大的三角形，也就是在顯示裝置上能擷取與呈現的色彩範圍。BT.2020定義色彩的第二個方式是位元深度。用來代表每個色彩的位元數，決定了該色彩能夠產生漸層的範圍。在目前的系統中，每個色彩用8位元表示，因此每個原色就會有28=256種不同的漸層。目前的Rec.709標準總共能支援一千六百七十八萬種顏色(256R×256G×256B)。
BT.2020透過定義了至少10位元的色深，大幅擴展了這個範圍。藉由為每個色彩增加兩個位元，將全部的色彩數量增加到十點七億個顏色(230=1024×1024×1024)。當要在一個訊框的最亮與最暗區域之間呈現更大的動態範圍時，這樣擴展的範圍就會有很多好處。
增加色深對所有新一代系統單晶片(SoC)來說有以下三方面的優勢：能為最新一代的10位元和OLED顯示裝置維持色彩真實度；由於簡化與更有效率的轉碼管線，能確保達到最大效能；減少常會影響8位元系統的條帶(Banding)現象。
視訊標準繁雜 多重解碼器需求起
針對4K-ready的視訊硬體編碼和解碼的平台，視訊IP業者已開始在核心中提供支援。這些核心都採用了特別的可擴充、多管線架構，能支援10位元色彩及YCbCr 4：2：2和4：4：4色彩解析度；未來，HEVC有可能成為4K廣播服務的必要要求。
以最新發布的PowerVR D5500視訊解碼器核心為例，其能在不同的多處理器配置中有效地擴充配置，因此最高能達到完整H.265等級5.0的所需效能，以滿足高解析度或高訊框率應用的需求。
雖然HEVC能帶來這麼多的好處，但既有的標準也不能完全拋棄。大量的數位內容，不管是專業等級或消費者自行製作的，只要大家都還保存他們的DVD和藍光碟片，這些標準都還是會繼續存在。這意味著，多重標準解碼器將永遠會是一個需求。
雖然目前只有某些高階產品支援4K，但此技術很快就會成為電視的主流。在下一代具備4K擷取功能的相機，以及新型和傳統廣播設備的推動下，4K內容會逐漸普及，市場上將會出現越來越多的4K產品。若在可支援10位元色深的完整視訊IP核心中建置HEVC功能，Ultra-HD產品將能提供令人驚艷的色彩與清晰度，創造出絕佳的消費者體驗。
