超高畫(huà)質(zhì)電視(Ultra-HD TV)、無(wú)線顯示和高品質(zhì)視訊擷取等應(yīng)用要求愈來(lái)愈高，正推動(dòng)著視訊編碼和解碼新技術(shù)的興起。有機(jī)發(fā)光二極體(OLED)面板和10位元顯示器能提供更寬廣的色彩范圍，使得消費(fèi)者對(duì)于更高色彩真實(shí)度的要求也更勝以往。由于須支援超即時(shí)(Beyond Real Time)HD視訊處理功能，視訊編碼器/解碼器也必須能提供足夠效能，以因應(yīng)Ultra-HD 4K×2K的表面顯示(Display Surface)和馬賽克螢?zāi)?Mosaic Screen)等應(yīng)用。

H.265成下一代視訊編碼標(biāo)準(zhǔn)

H.265亦稱(chēng)為高效率視訊編碼(HEVC)，是最近通過(guò)ITU-T核準(zhǔn)與認(rèn)可的視訊轉(zhuǎn)碼標(biāo)準(zhǔn)，以做為廣泛使用的H.264標(biāo)準(zhǔn)的直接銜接版本。業(yè)界預(yù)期，H.265將能迅速獲得制造商和內(nèi)容供應(yīng)商的采用與部署，特別是在行動(dòng)視訊傳送和4K Ultra-HD TV廣播等應(yīng)用領(lǐng)域。

目前市面上看到的HEVC軟體解碼解決方案幾乎都是針對(duì)消費(fèi)性電子所打造，全部任務(wù)都在中央處理器(CPU)上執(zhí)行或采用繪圖處理器(GPU)運(yùn)算來(lái)加速HEVC解碼。

但對(duì)下一代產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，會(huì)需要基于硬體的HEVC解碼和編碼，才能滿(mǎn)足所需效能，并將功耗降至最低。多重串流和4K是硬體式編碼和解碼技術(shù)的主要推動(dòng)力量，矽智財(cái)(IP)須專(zhuān)為此需求而設(shè)計(jì)。

H.265編碼復(fù)雜度劇增

與先前的編解碼器建置相比，H.265視訊編碼的復(fù)雜度高了十倍。HEVC會(huì)將訊框分割為多個(gè)小區(qū)塊(CU)，然后在每個(gè)CU中進(jìn)行影像的預(yù)測(cè)和轉(zhuǎn)碼。

根據(jù)不同紋理，HEVC最多能處理64×64畫(huà)素的不同區(qū)塊，并變更區(qū)塊的大小。前一代的H.264標(biāo)準(zhǔn)僅能處理最大尺寸為16×16畫(huà)素的區(qū)塊。與H.264/MPEG-4高級(jí)視頻編碼(AVC)相比，處理較大的區(qū)塊面積能讓HEVC達(dá)到更高的壓縮或更高解析度，并提升平行處理效率(圖1)。

圖1 H.265可處理較大的區(qū)塊面積，更能強(qiáng)化編碼效率。

不管是為行動(dòng)或消費(fèi)性裝置所設(shè)計(jì)的視訊編碼標(biāo)準(zhǔn)，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(lái)進(jìn)行視訊編碼或解碼，并同時(shí)維持一定水準(zhǔn)的視訊品質(zhì)。

在多項(xiàng)研究中已將H.265的編碼格式之一--Main Profile和其他現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的類(lèi)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(biāo)準(zhǔn)。這些比較通常是針對(duì)各種應(yīng)用情況下的視訊編碼，以及不同位元率對(duì)應(yīng)到特定視訊測(cè)試順序下的結(jié)果。

目前為止，不管是根據(jù)客觀的或主觀的評(píng)估，HEVC都展現(xiàn)出能顯著地減少位元率，使其成為以低位元率提供高品質(zhì)視訊的理想方案。

編碼器功能/復(fù)雜度　攸關(guān)H.265視訊品質(zhì)

使用H.265時(shí)，必須要明白，僅單純用它來(lái)做視訊壓縮并不能保證品質(zhì)。的確，HEVC視訊的品質(zhì)將取決于編碼器的復(fù)雜度和功能完整與否而定。

事實(shí)上，采用次等級(jí)的軟體解決方案或低品質(zhì)的HEVC編碼器，會(huì)產(chǎn)生比今日最佳H.264解決方案更糟的結(jié)果。影響編碼器品質(zhì)的因素包括動(dòng)態(tài)搜尋的演算法和范圍、工具組建置及速率控制的演算法。

目前市場(chǎng)上另一個(gè)更有趣的爭(zhēng)辯，是與基于GPU運(yùn)算的HEVC軟體解碼有關(guān)。我們相信，這些解決方案是為了沒(méi)有專(zhuān)屬硬體支援的現(xiàn)有平臺(tái)建置，而須執(zhí)行某些相關(guān)應(yīng)用的合理第一步；1,080p的HEVC就是其中一個(gè)例子。但是，硬體視訊轉(zhuǎn)碼可提供絕佳的優(yōu)勢(shì)與特性(10位元色彩、YCbCr 4：4：4解析度等)；所以，最終大部分平臺(tái)都將建置硬體視訊編解碼器。

HEVC、4K解析度及對(duì)更高訊框率的需求的結(jié)合，意味著運(yùn)算核心的功耗至關(guān)重要。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，核心可能會(huì)使整體系統(tǒng)功耗大幅提升。

我們預(yù)測(cè)，大部分OTT(Over The Top)的服務(wù)都將移轉(zhuǎn)到HEVC，以便將內(nèi)容傳送到行動(dòng)電話；同時(shí)視訊會(huì)議業(yè)者將發(fā)揮此標(biāo)準(zhǔn)更佳品質(zhì)與較低位元率的優(yōu)勢(shì)，以提供更好的影像解析度。

10位元色彩將成主流

最近針對(duì)4K及8K電視所發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)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(huà)面的品質(zhì)。

雖然BT.2020仍在開(kāi)發(fā)階段，它提供的優(yōu)勢(shì)將能推動(dòng)10位元色彩在4K電視和HEVC的應(yīng)用上，將能被快速和廣泛地采用。根據(jù)ITU-R BT.1361和BT.2020標(biāo)準(zhǔn)的建議，4K解析度的H.265(HEVC)轉(zhuǎn)碼必須采用10位元色彩。

為了進(jìn)一步了解這項(xiàng)建議的意義，現(xiàn)行的HDTV Rec.709標(biāo)準(zhǔn)為紅、綠和藍(lán)規(guī)范了以下的X-Y座標(biāo)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(biāo)位置，如圖2中所畫(huà)的較小的三角形。這些座標(biāo)所描繪的色域(Colour Gamut)是合理的，但顯而易見(jiàn)，這與我們?cè)谡鎸?shí)世界中體驗(yàn)到的并不一樣。任何落在三角形以外的色彩，并不能保證一定會(huì)被相機(jī)擷取、編碼到磁碟中，或正確地在電視上顯示。相對(duì)地，BT.2020建議的座標(biāo)值如下：

圖2 Rec.709和BT.2020標(biāo)準(zhǔn)的色域范圍

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(xiàn)的色彩范圍。BT.2020定義色彩的第二個(gè)方式是位元深度。用來(lái)代表每個(gè)色彩的位元數(shù)，決定了該色彩能夠產(chǎn)生漸層的范圍。在目前的系統(tǒng)中，每個(gè)色彩用8位元表示，因此每個(gè)原色就會(huì)有28=256種不同的漸層。目前的Rec.709標(biāo)準(zhǔn)總共能支援一千六百七十八萬(wàn)種顏色(256R×256G×256B)。

BT.2020透過(guò)定義了至少10位元的色深，大幅擴(kuò)展了這個(gè)范圍。藉由為每個(gè)色彩增加兩個(gè)位元，將全部的色彩數(shù)量增加到十點(diǎn)七億個(gè)顏色(230=1024×1024×1024)。當(dāng)要在一個(gè)訊框的最亮與最暗區(qū)域之間呈現(xiàn)更大的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，這樣擴(kuò)展的范圍就會(huì)有很多好處。

增加色深對(duì)所有新一代系統(tǒng)單晶片(SoC)來(lái)說(shuō)有以下三方面的優(yōu)勢(shì)：能為最新一代的10位元和OLED顯示裝置維持色彩真實(shí)度；由于簡(jiǎn)化與更有效率的轉(zhuǎn)碼管線，能確保達(dá)到最大效能；減少常會(huì)影響8位元系統(tǒng)的條帶(Banding)現(xiàn)象。

視訊標(biāo)準(zhǔn)繁雜　多重解碼器需求起

針對(duì)4K-ready的視訊硬體編碼和解碼的平臺(tái)，視訊IP業(yè)者已開(kāi)始在核心中提供支援。這些核心都采用了特別的可擴(kuò)充、多管線架構(gòu)，能支援10位元色彩及YCbCr 4：2：2和4：4：4色彩解析度；未來(lái)，HEVC有可能成為4K廣播服務(wù)的必要要求。 [!--empirenews.page--]

以最新發(fā)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?cái)U(kuò)充配置，因此最高能達(dá)到完整H.265等級(jí)5.0的所需效能，以滿(mǎn)足高解析度或高訊框率應(yīng)用的需求。

雖然HEVC能帶來(lái)這么多的好處，但既有的標(biāo)準(zhǔn)也不能完全拋棄。大量的數(shù)位內(nèi)容，不管是專(zhuān)業(yè)等級(jí)或消費(fèi)者自行制作的，只要大家都還保存他們的DVD和藍(lán)光碟片，這些標(biāo)準(zhǔn)都還是會(huì)繼續(xù)存在。這意味著，多重標(biāo)準(zhǔn)解碼器將永遠(yuǎn)會(huì)是一個(gè)需求。

雖然目前只有某些高階產(chǎn)品支援4K，但此技術(shù)很快就會(huì)成為電視的主流。在下一代具備4K擷取功能的相機(jī)，以及新型和傳統(tǒng)廣播設(shè)備的推動(dòng)下，4K內(nèi)容會(huì)逐漸普及，市場(chǎng)上將會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的4K產(chǎn)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(chǎn)品將能提供令人驚艷的色彩與清晰度，創(chuàng)造出絕佳的消費(fèi)者體驗(yàn)。

(本文作者皆任職于Imagination)