HEVC 与 VP9 :谁主沉浮? 不同的使用者给出的答案不尽相同

qql •  2015-05-20 17:51:00  •  [ 技术干货 ]
网络视频已经成为将视频内容传送给消费者的一种实用方式,而视频压缩在这一过程中 的作用功不可没,视频压缩能够降低传送视频的高带宽限制,以适应绝大多数的网络连接状态。 本文中,我们将对两种视频编解码方式HEVC和VP9的技术和商业相关问题进行对比。
        网络视频已经成为将视频内容传送给消费者的一种实用方式,而视频压缩在这一过程中 的作用功不可没,视频压缩能够降低传送视频的高带宽限制,以适应绝大多数的网络连接状态。 本文中,我们将对两种视频编解码方式HEVC和VP9的技术和商业相关问题进行对比。

        HEVC,全称高效视频编码,也被称作 MPEG-H Part 2和ITU-T H.265。它代表业界最新的视频压缩标准,使用 H.264/MPEG-4 AVC 压缩编码方式能够比以前的 MPEG-2 编解码节约大概一半的比特率。

        AVC编码方式已经在许多专业和用户设备中得到了广泛应用。HEVC于2013 年得到了ISO和ITU的批准,在这些应用领域也有了同样长足的发展,同时展现出了取代之前老的编 码方式的势头。不过,虽然MPEG和HEVC是由代表着一批业界巨头的标准委员会开发的, 业界其他力量也找到了能够与之抗衡的编码方式,特别值得一提的是Google开发出的VP9压缩编码方式。让我们来看看每种编解码方式的具体细节。

        HEVC 与 AVC 相比具有大量改进,加入了一种全新的预测块结构,并更新了帧内预测、 反变换、运动补偿、回路滤波以及熵编码。HEVC 使用了一个名为编码单元(CU)的新概念, 将一幅图片分成任意矩形区域。CU 代替了先前视频编码标准中宏块的概念,宏块原本用于将 图片划分成若干区域,每块区域可以用变换矩阵进行编码。CU可以包含一个或多个变换单元(TU,变换和量化的基本单元),但还可以增加预测单元(PU,帧内和帧间预测的基本单元)。 AVC支持多种尺寸块的变换编码和运动补偿,其性能较 MPEG-2 有所提升,HEVC编码树状块的尺寸则可以是 64×64、32×32、16×16或 8×8 像素区域,编码单元还可以进一 步划分为子单元,最小支持尺寸为 4×4 的单元。树状块的使用允许并行处理器使用来自多个 分块的数据来解码和预测——也称为波阵面并行处理,这种处理方式支持多线程解码。

        由于新的编码结构避免了AVC的重复块,HEVC在降低块效应方面性能更好,同时又 能更有效地编码图像细节。HEVC还能指定一些平面或 DC 模型,它们能重建平滑区域或具 有方向的结构,从而更好地隐藏块效应。内部比特深度的增加能实现视频图像的编码,这是通过用高于8比特的色彩深度来处理视频图像完成的。
运动补偿的实现采用了两种新方法,亮度和色度运动矢量分别以四分之一像素和八分 之一像素精度来计算。新的解块滤波器仅作用于块网格的边缘。使用解块滤波器处理过后,HEVC提供了两种可选的新滤波器来最小化编码痕迹。

        VP8的改进 :VP9

        Youtube网站上的视频数量数不胜数,理所当然地,其服务供应商谷歌公司在视频压缩 的技术和相关市场中必然拥有一些既得利益。为此,VP9作为一种免费的、类似HEVC的编 码方式应运而生。

        许多在VP9及其前身VP8中使用的工具同 HEVC 中使用的工具非常相似——但表面上, 它们还是规避了一些知识产权方面的问题。VP9支持网络视频使用的格式 :4:2:0 采样格式,8比特彩色深度,逐行扫面,图像尺寸最大为 16383×16383。VP9能够很好地处理这种格式 的视频,但它还具有处理 4:4:4 采样格式,12比特量化视频的能力。

        VP8对所有亮度和彩色残差像素都使用了基于4×4块的离散余弦变换。来自16×16宏块的DC系数再进行一次 4×4 沃尔什 - 阿达马变换。帧间预测采用三个参考帧,将缓存的大 小要求限制在三帧缓存上,同时从过去任意一点存储一个“黄金参考帧”。

        VP9 通过加入32×32和64×64超级块增强了这一功能,这些超级块能够递归地被分成矩 形块,增强了帧内和帧间模型,使得在一个宏块内任一快的图形编码效率更高。VP9引入了更大的8×8和16×16 DCT和非对称离散正弦变换,这两种变换都提供了更丰富的编码选择。

        就像HEVC一样,VP9支持子像素的插入和适应性循环内解块滤波,滤波的选择可以根 据其他编码参数和数据划分,以实现并行处理。

        HEVC和VP9的对比你大概想到了,使用者不同,二者之间孰优孰劣的答案也就不尽相同。谷歌说,VP9的压缩效率比 VP8和H.264标准高百分之五十,还能保证相同的视频质量。HEVC的拥护者声 称他们也能达到同样的效果。但一些学术研究显示,同VP9相比,HEVC比VP9节约超过百分之四十三的比特率。为什么差这么多?一个可能的原因是,在每个编解码中使用不同的方 法将会导致结果的极大差异,视频材料不同,结果也就不同。另一个原因在于,虽然一些实 验室已经开发出客观方法来衡量图像质量,最好的标准仍然是人类的视觉系统,这就意味着 双盲法主观实验依旧必不可少,而这类实验的结果总是存在统计异常。

        需要考虑的另一个重要因素就是复杂度。虽然HEVC和VP9都要求解码器更强的计算能力,实验发现,虽然在比特率上HEVC比VP9更胜一筹,但 HEVC 所要求解码端的运算能 力也更高(有时甚至超过VP9十倍)。

        开发一种HEVC替代品的意愿十分强烈:VP9 是一种免费的编解码方法,无需缴纳许可费。 HEVC 和 AVC 的注册由MPEG LA公司来管理,这是一家私人公司,监督专利池中大量公 司所有的“必要专利”。

        2014年早些时候,MPEG LA宣布,有25个公司已经同意了 HEVC 的注册条款 ;AVC 专利组合授权的适用范围已经覆盖到了用于编码和解码AVC视频的设备,还有以注册费和免 费电视视频服务为名义来向用户收取费用的AVC视频。早些时候,MPEG LA宣布,他们的AVC专利组合授权将在整个授权生命周期内不对那些用户能免费观看的网络视频(也称为“网 络广播 AVC 视频”)收费 ;这个生命周期很可能意味着专利的整个生命周期。

        2013 年,谷歌和 MPEG LA宣布他们将达成一项共识协定,MPEG LA给谷歌颁发许可证, 许可证涉及的技术由11个专利所有人所拥有,却对 VP8 或更早的 VPx 视频压缩技术至关重要。 这项共识还给予了谷歌对 VP8的任何用户进行再授权的权利,无论这个VP8的使用者是谷歌 还是其他公司。它还进一步在下一代 VPx 视频编解码中提供了VP8技术的子授权。

        因此,虽然使用VP8不需要授权费,却仍存在其他强制性条款——所谓的FRAND-zero授权——而为了能够完整地享受 Google-MPEG LA 协定的福利,用户很可能仍然需要注册。这个协定的一项结果是,MPEG-LA 还决定终止组成 VP8 专利池的计划。

        显然,VP9是对抗MPEG专利拥有者的进一步尝试,想法是避免与已注册专利发生冲突。 但HEVC已经开始进驻商品硬件和软件市场,MPEG-4/AVC标准也早已在市场上广泛使用,这就给VP9抢占市场带来了困难。VP8/VP9开发商最优的想法也可能被推翻 :一些“潜水艇 专利”总会时不时出现,它们的拥有者们会投诉这些开发商的侵权。

        这样的案例已经在手机制造领域发生过。诺基亚控告HTC公司使用了VP8编解码。德 国曼海姆的一家法庭裁定这个案例认为,VP9的使用并未侵犯诺基亚的专利权——但类似纠 纷发生的可能性始终存在。当另一个竞争者的影响力大到足以迫使某些制造商暂时停产时, 他们就会倾向于支持“更安全”的HEVC编码方式,从而HEVC也会受一些“潜水艇专利” 的支配。

        最后说一句 :谷歌宣称,VP10编解码的开发工作已经开始,当VP10发布之后,他们计划在正式开始发布视频标准之前先观察18个月。
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