以低位元率实现高品质影像　HEVC成4K视讯编码新显学

超高画质电视(Ultra-HD TV)、无线显示和高品质视讯撷取等应用要求愈来愈高，正推动着视讯编码和解码新技术的兴起。有机发光二极体(OLED)面板和10位元显示器能提供更宽广的色彩范围，使得消费者对于更高色彩真实度的要求也更胜以往。由于须支援超即时(Beyond Real Time)HD视讯处理功能，视讯编码器/解码器也必须能提供足够效能，以因应Ultra-HD 4K×2K的表面显示(Display Surface)和马赛克萤幕(Mosaic Screen)等应用。

H.265成下一代视讯编码标准

H.265亦称为高效率视讯编码(HEVC)，是最近通过ITU-T核准与认可的视讯转码标准，以做为广泛使用的H.264标准的直接衔接版本。业界预期，H.265将能迅速获得制造商和内容供应商的采用与部署，特别是在行动视讯传送和4K Ultra-HD TV广播等应用领域。

目前市面上看到的HEVC软体解码解决方案几乎都是针对消费性电子所打造，全部任务都在中央处理器(CPU)上执行或采用绘图处理器(GPU)运算来加速HEVC解码。

但对下一代产品来说，会需要基于硬体的HEVC解码和编码，才能满足所需效能，并将功耗降至最低。多重串流和4K是硬体式编码和解码技术的主要推动力量，矽智财(IP)须专为此需求而设计。

H.265编码复杂度剧增

与先前的编解码器建置相比，H.265视讯编码的复杂度高了十倍。HEVC会将讯框分割为多个小区块(CU)，然后在每个CU中进行影像的预测和转码。

根据不同纹理，HEVC最多能处理64×64画素的不同区块，并变更区块的大小。前一代的H.264标准仅能处理最大尺寸为16×16画素的区块。与H.264/MPEG-4高级视频编码(AVC)相比，处理较大的区块面积能让HEVC达到更高的压缩或更高解析度，并提升平行处理效率(图1)。

图1 H.265可处理较大的区块面积，更能强化编码效率。

不管是为行动或消费性装置所设计的视讯编码标准，主要是希望能取得最高的编码效率。这意味着，最好能以最低的位元率来进行视讯编码或解码，并同时维持一定水准的视讯品质。

在多项研究中已将H.265的编码格式之一--Main Profile和其他现行标准的类似配置(Profile)做了编码效率的比较，这些都是今日仍在使用的视讯标准。这些比较通常是针对各种应用情况下的视讯编码，以及不同位元率对应到特定视讯测试顺序下的结果。

目前为止，不管是根据客观的或主观的评估，HEVC都展现出能显著地减少位元率，使其成为以低位元率提供高品质视讯的理想方案。

编码器功能/复杂度　攸关H.265视讯品质

使用H.265时，必须要明白，仅单纯用它来做视讯压缩并不能保证品质。的确，HEVC视讯的品质将取决于编码器的复杂度和功能完整与否而定。

事实上，采用次等级的软体解决方案或低品质的HEVC编码器，会产生比今日最佳H.264解决方案更糟的结果。影响编码器品质的因素包括动态搜寻的演算法和范围、工具组建置及速率控制的演算法。

目前市场上另一个更有趣的争辩，是与基于GPU运算的HEVC软体解码有关。我们相信，这些解决方案是为了没有专属硬体支援的现有平台建置，而须执行某些相关应用的合理第一步；1,080p的HEVC就是其中一个例子。但是，硬体视讯转码可提供绝佳的优势与特性(10位元色彩、YCbCr 4：4：4解析度等)；所以，最终大部分平台都将建置硬体视讯编解码器。

HEVC、4K解析度及对更高讯框率的需求的结合，意味着运算核心的功耗至关重要。如果设计不当，核心可能会使整体系统功耗大幅提升。

我们预测，大部分OTT(Over The Top)的服务都将移转到HEVC，以便将内容传送到行动电话；同时视讯会议业者将发挥此标准更佳品质与较低位元率的优势，以提供更好的影像解析度。

10位元色彩将成主流

最近针对4K及8K电视所发布的标准称为ITU-R BT.2020，它已为更宽广的色彩选择和增加的位元深度(Bit Depth)做出建议，以显著提升电视画面的品质。

虽然BT.2020仍在开发阶段，它提供的优势将能推动10位元色彩在4K电视和HEVC的应用上，将能被快速和广泛地采用。根据ITU-R BT.1361和BT.2020标准的建议，4K解析度的H.265(HEVC)转码必须采用10位元色彩。

为了进一步了解这项建议的意义，现行的HDTV Rec.709标准为红、绿和蓝规范了以下的X-Y座标值：R=(0.640,0.330)、G=(0.300,0.600)、B=(0.150,0.060)。这些是这三种色彩的特定座标位置，如图2中所画的较小的三角形。这些座标所描绘的色域(Colour Gamut)是合理的，但显而易见，这与我们在真实世界中体验到的并不一样。任何落在三角形以外的色彩，并不能保证一定会被相机撷取、编码到磁碟中，或正确地在电视上显示。相对地，BT.2020建议的座标值如下：

图2 Rec.709和BT.2020标准的色域范围

R=(0.708,0.292)、G=(0.170,0.797)、B=(0.131,0.046)，即为图2中较大的三角形，也就是在显示装置上能撷取与呈现的色彩范围。BT.2020定义色彩的第二个方式是位元深度。用来代表每个色彩的位元数，决定了该色彩能够产生渐层的范围。在目前的系统中，每个色彩用8位元表示，因此每个原色就会有28=256种不同的渐层。目前的Rec.709标准总共能支援一千六百七十八万种颜色(256R×256G×256B)。

BT.2020透过定义了至少10位元的色深，大幅扩展了这个范围。藉由为每个色彩增加两个位元，将全部的色彩数量增加到十点七亿个颜色(230=1024×1024×1024)。当要在一个讯框的最亮与最暗区域之间呈现更大的动态范围时，这样扩展的范围就会有很多好处。

增加色深对所有新一代系统单晶片(SoC)来说有以下三方面的优势：能为最新一代的10位元和OLED显示装置维持色彩真实度；由于简化与更有效率的转码管线，能确保达到最大效能；减少常会影响8位元系统的条带(Banding)现象。

视讯标准繁杂　多重解码器需求起

针对4K-ready的视讯硬体编码和解码的平台，视讯IP业者已开始在核心中提供支援。这些核心都采用了特别的可扩充、多管线架构，能支援10位元色彩及YCbCr 4：2：2和4：4：4色彩解析度；未来，HEVC有可能成为4K广播服务的必要要求。 [!--empirenews.page--]

以最新发布的PowerVR D5500视讯解码器核心为例，其能在不同的多处理器配置中有效地扩充配置，因此最高能达到完整H.265等级5.0的所需效能，以满足高解析度或高讯框率应用的需求。

虽然HEVC能带来这么多的好处，但既有的标准也不能完全抛弃。大量的数位内容，不管是专业等级或消费者自行制作的，只要大家都还保存他们的DVD和蓝光碟片，这些标准都还是会继续存在。这意味着，多重标准解码器将永远会是一个需求。

虽然目前只有某些高阶产品支援4K，但此技术很快就会成为电视的主流。在下一代具备4K撷取功能的相机，以及新型和传统广播设备的推动下，4K内容会逐渐普及，市场上将会出现越来越多的4K产品。若在可支援10位元色深的完整视讯IP核心中建置HEVC功能，Ultra-HD产品将能提供令人惊艳的色彩与清晰度，创造出绝佳的消费者体验。

(本文作者皆任职于Imagination)