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4K/8K超高清电视广播视频编码技术的标准化及新一代视频编码技术探讨

供稿人:李远东  供稿时间:2016-7-22   关键字:高清电视  4K超高清电视  8K超高清电视  视频编码  HEVC  

1、日本4K/8K超高清电视广播视频编码技术的标准化情况

 

2013年,日本MIC(内务与通信部)提出4K/8K超高清电视发展路线图,并组建NexTV-F(下一代电视论坛)来具体执行,相关工作包括制定4K/8K超高清电视广播技术规范、研发网络与终端设备、进行现网试验等[1]。

 

ARIB(日本无线工业及商贸联合会)数字电视广播系统研发部的视频编码工作组负责NexTV-F对于4K/8K超高清电视广播视频编码技术的标准化,目前已制定出编号为“ARIB STD-B32”的标准,其最新版本为ARIB2016325日所发布的第3.6版《デジタル放送における映像符号化、音声符号化及び多重化方式》[2]用于数字电视广播的视频编码、音频编码及复用规范),其中把HEVC(高效率视频编码)/H.265作为日本日本4K/8K超高清电视广播视频编码技术。

 

从参考文献[2]看来,日本广电部门应用于4K/8K超高清电视广播视频编码的HEVC/H.265与目前应用于标准清晰度/高清晰度数字电视广播的MPEG-2MPEG-4 AVC(高级视频编码)均采取混合编码机制,先把视频信号分块,然后通过帧内与帧间预测、正交变换、量化及熵编码来进行信号压缩编码。其中的HEVC/H.265对这些编码功能进行了扩展,从而具备更多种编码模式——在对4K/8K超高清电视广播视频进行信源编码时,如果恰当地选择各编码模式的组合,压缩编码的效率可以达到MPEG-4 AVC的两倍及MPEG-24倍。

 

表1  应用于标清/高清电视广播时的MPEG-2/MPEG-4 AVC与应用于4K/8K超高清电视广播的HEVC的对比[1]

 

 

MPEG-2

H.264/MPEG-4 AVC

H.265/MPEG-H HEVC

所能支持

的最大格式

1080/60 Hz/P

HDTV

2160/60 Hz/P

4K UHDTV

4320/120 Hz/P

8K UHDTV

编码块

16×16

16×16

8×864×64

正交变换

Real DCT

8×8

Accurate integer DCT

8×84×4

Accurate integer DCT/DST

无需变换。

4×432×32

动作压缩预测

16×816×16

1/2像素精度预测。

无动作矢量预测。

4×416×16

1/4像素精度预测。

动作矢量预测(对

临近编码块作平均)。

8×44×864×64

1/4像素精度预测。

动作矢量预测(从临近编码块

及矢量归并)。

图像预测

9个模式

(对于4×48×8);

4个模式

(对于16×16);

35个模式

(从4×464×64);

环路滤波

去块滤波

去块滤波(像素自适应补偿)

熵编码

2D VLC

CAVLCCABAC

CABAC

 

然而,另一方面,4K/8K超高清电视广播的视频编码需要不断、实时地根据具体的视频图像来优化编码模式的组合方式,但4K/8K超高清电视广播的视频分辨率很高(分别为3840×21607680×4320)、数据量很大,这就为上述的实时处理带来了很大的难度。

 

所以,相比于8K超高清电视广播,4K超高清电视广播的HEVC编码器与HEVC解码器研发起来相对容易,且目前已有商用的相关消费电子设备——例如,日本于20153月正式开播的4K卫星超高清电视广播(基于通信卫星)即采用相关设备,日本将在201681日基于广播卫星开播的4K/8K超高清电视广播也将采用相关设备ARIB STD-B32标准(文献[2])以附录的形式给出了相关操作指南,明确了HEVC编解码技术在实际应用于4K/8K超高清电视广播时的一些限制。

 

2、日本4K/8K超高清电视广播业务的视频编码格式

 

由于从标清/高清电视广播向4K/8K超高清电视广播的完全转换需要很长的时间(主要是由于用户终端设备的更换周期很长),所以,在提供4K/8K超高清电视广播业务时,也要进行相同电视节目内容的标清/高清电视广播的同播(以照顾那些绝大部分或大部分尚未把高清电视机顶盒更换为4K/8K超清电视机顶盒的用户)。表2列出了可用于进行全高清电视广播与4K/8K超高清电视广播的视频格式,以及对每种视频格式进行信源压缩编码的类与级。

 

全高清/4K8K超高清电视广播的视频格式及其类、级[1]

 

 参数

1080/60 Hz/I

1080/60 Hz/P

2160/60 Hz/P

2160/120 Hz/P

4320/60 Hz/P

4320/120 Hz/P

有效

采样

1920×1080

3840×2160

4K超高清电视)

7680×4320

8K超高清电视)

帧率

/Hz

27.9730

59.9460

59.9460

119.88120

59.9460

119.88120

色度

ITU-R BT.709推荐书;

IEC 61966-2-4

ITU-R BT.2020推荐书

色差

Y’C’BC’R 4:2:0

比特

深度

8 bit10 bit

10 bit

主类/Main 10

Main 10

4.1

5.1

5.2

6.1

6.2

主层

比特

率最

大值

20 Mbps

40 Mbps

50 Mbps

120 Mbps

150 Mbps

分级

编码

-

-

-

-

 

从表2可见,4K/8K超高清电视广播相比现有的全高清数字电视广播业务具有更高的视频质量,而且采取的是10方式,但是,为了实现4K/8K超高清电视广播与全高清数字电视广播的兼容,仅允许后者采用主类(两种配置:1080/60 fps/I以及1080/60 fps/P)。

 

另外,由于目前价位亲民的4K/8K超高清电视终端设备最多仅能显示60/秒的图像,加之现有传统的全高清电视广播的视频图像刷新率也为60/秒,所以采取的是分级编码方式(于其中,被编码的信号具有层级架构,这使得60 fps的视频信号可以仅使用信号结构里的低层来播放,并可通过对信号结构里的高层与低层进行解码来产生120 fps的视频信号)——这样,当以后开始以120 fps的帧频来广播时,60 fps的接收机也能接收相关服务。

 

日本ARIB数字电视广播系统研发部视频编码工作组对上述各种视频格式作了主观评价测试,目标是对4K/8K超高清电视广播这种新兴业务所需的传输比特率进行评估。上文表2中所列出的最大比特率即是基于这些测试所得的评估结果而设定的。

 

3、国际上新一代视频编码的发展趋势

 

目前,HEVC/H.265编码技术的标准化工作已进入最后阶段。专注于视频编码技术标准化的主流机构MPEG(视频图像专家组)与国际电信联盟VCEG(视频编码专家组)也已经启动了新一代代视频编码技术的研发工作。

 

于此方面,MPEG201410月在Strasburg召开了一次具有里程碑意义的研讨会,主要讨论的是制定新一代视频编码技术标准的时间框架、功能需求、性能要求等。

 

与会专家聚焦讨论了人们正在改变的视频内容观看方式(目前,智能手机在观看视频内容方面尤其受人们欢迎)对于制定新一代视频编码技术标准的可能影响。

 

由于智能手机的计算与存储能力越来越大,任何人都可以用智能手机轻松地存储高清晰度视频内容,并将其上传至云端服务器,理论上可以与全球各地的人分享。从而,业界对于提高云端视频服务器的存储容量就有着很强烈的需求。于是,提高存储型媒体内容的压缩编码性能也就显得非常重要。

 

在上述背景之下,当前,业界正在讨论新一代视频编码技术标准在时间框架、功能与性能方面的发展目标,具体包括以下的四大方面:

 

1)新一代视频编码技术标准化的时间框架

 

全球移动通信业界有望在2020年全部完成5G(第五代移动通信)的标准化工作。另外,到了2020年,4K/8K超高清电视广播将有望在大众市场得到普及。而到了2020年,距HEVC/H.265编码技术标准的第1.0版本也已经有大约7年的时间。从而,综上,新一代视频编码标准应该在2020年左右制定完成。

 

2)新一代视频编码技术的视频格式问题

 

由于移动智能终端设备的屏幕分辨率在不断提高,就有必要重新考虑新一代视频编码技术标准对于低分辨率视频格式的支持问题。当前,全球高清电视HDTV4K/8K超高清电视UHDTVHDR(高动态范围)视频是电视市场发展的聚焦点。

 

3)新一代视频编码技术的实时处理能力问题

 

目前,视频流媒体服务越来越受到人们的欢迎,互联网/移动互联网中的视频流量不断地迅速增长。从而,在流媒体视频内容的信源编码环节,就需要越来越大的处理/计算与实时编码能力。于是,新一代视频编码技术就应能支撑流媒体视频内容的实时处理,或具备面向非实时处理的高性能压缩编码的能力。

 

4)新一代视频编码技术的编码性能问题

 

目前,业界正在研究可以把实时类应用的压缩编码性能相对于现有HEVC/H.265提高约30%的新一代视频编码技术。而且,其对于非实时类应用的压缩编码的性能,将有望提高50%

 

当前对于HEVC/H.265技术的扩展,编码性能仅提高20%(目前所能达到的最大程度),但是技术实现的复杂度却提高了9倍。

 

 

参考文献

 

[1] Atsuro Ichigaya. Standardization Trends in Video Coding Technologies[EB/OL].

http://www.nhk.or.jp/strl/publica/bt/en/fe0064-1.pdf, 2016-06-12.

 

[2] ARIB. デジタル放送における映像符号化、音声符号化及び多重化方式[EB/OL].

http://www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/2-STD-B32v3_6.pdf, 2016-06-15.

 

[3] 李远东. 2016年日本8K超清电视卫星测试广播系统关键技术[EB/OL].

http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=9983, 2016-04-27.

 

[4] 李远东. 全球移动视频业务的三大新趋势[EB/OL].

http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8763, 2015-07-31.

 

[5] 李远东. 4K超高清电视高动态范围技术(一):引言[EB/OL].

http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=9358, 2015-10-22.

 

[6] 李远东. 全球移动通信协会就获得额外频谱资源指配的最新思考与态度[EB/OL].

http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=9954, 2016-03-09.

 


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