High Efficiency Video Coding

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High Efficiency Video Coding (HEVC), auch bekannt als H.265 und MPEG-H Teil 2, ist ein Standard zum Kodieren von Videoinhalten und Bildern. Er ist Nachfolger des H.264/MPEG-4-AVC-Standards und konkurriert mit VP9, Daala und AV1. H.265/HEVC ist eine gemeinsame Entwicklung der ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) und der ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG). MPEG und VCEG richteten mit dem „Joint Collaborative Team on Video Coding (JCT-VC)“ eine gemeinsame Arbeitsgruppe ein, um den HEVC-Standard zu entwickeln.[1][2] Ziel war eine im Vergleich zu H.264/MPEG-4 AVC doppelt so starke Kompression bei gleichbleibender Qualität. Zusätzlich kann H.265/HEVC von 320 × 240 Pixel bis zu 8192 × 4320 Pixel (4320p) skalieren.[3][4]
Anwendungen sind beispielsweise die Übertragung ultra-hochauflösender Fernsehprogramme, Unterhaltungselektronik (Blu-ray-Disc-Player mit 4K-Auflösung, Camcorder) oder Streaming-Angebote. Auch bei der terrestrischen Verbreitung von Inhalten in HD (DVB-T2) in Deutschland kommt der Codec zum Einsatz.[5][6]

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ab 2004 untersuchte die ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) Möglichkeiten, um die Komprimierung von Videos im Vergleich zu H.264/MPEG-4 AVC zu verbessern. Im Januar 2005 definierte die VCEG Schlüsselgebiete (KTA, Key Technical Areas) für weitere Untersuchungen. Die VCEG entwickelte eine Referenzsoftware, um Verbesserungen in diesen Schlüsselgebieten zu erproben.[7] Als Basis dafür wurde die „Joint Model Reference Software“ verwendet, die vom MPEG & VCEG Joint Video Team als Basis des H.264/MPEG-4 AVC-Standards erstellt wurde. Die neu integrierten Techniken wurden in den folgenden vier Jahren in experimentellen Evaluationen getestet.[8]

Als zwei mögliche Ansätze für die Standardisierung der verbesserten Komprimierungstechnologie galten: einen neuen Standard zu definieren oder das Erstellen von Erweiterungen zu H.264/MPEG-4 AVC. Das Projekt trug die vorläufigen Namen H.265 und H.NGVC (Next-Generation Video Coding) und war ein Großteil der Arbeit der VCEG bis zu seiner Entwicklung in dem H.265/HEVC-Gemeinschaftsprojekt mit MPEG im Jahr 2010. Der Name H.265 war vor allem für die mögliche Schaffung eines neuen Standards vorgesehen.

  • Februar 2012: Committee Draft (vollständiger Entwurf des Standards)
  • Juli 2012: Entwurf einer internationalen Norm
  • 25. Januar 2013: Bestätigung als Standard durch die ITU[9][10]

Effizienz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die vorläufigen Anforderungen für NGVC waren eine Bitratenreduktion um 25 Prozent und eine Verringerung der Komplexität um 50 Prozent bei gleichbleibender subjektiver Bildqualität im Vergleich zu H.264/MPEG-4 AVC High Profile. Die Effizienz des HEVC-Codec wird hauptsächlich durch geänderte Block-Größen bei der Komprimierung erreicht. Teilte H.264 das Bild noch in Blöcke von 16 × 16 Pixel ein, um diese jeweils separat zu betrachten, kann HEVC zwischen Blockgrößen von 4 × 4 und 64 × 64 wählen, was sich besonders bei großen Bildern vorteilhaft auswirkt. Bei Videos sind die sogenannten Transform-Blocks nun in vier Größen, statt der vorherigen zwei, verfügbar, die für Bildbereiche benutzt werden, die sich im Video von aufeinanderfolgenden Frames nicht verändern, und lediglich ihre Position wechseln, wie zum Beispiel bei Kameraschwenks.

Profile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der im Januar 2013 verabschiedete Entwurf für H.265/HEVC[11] definiert im Gegensatz zu H.264/MPEG-4 AVC nur die drei Profile Main, Main10 und MainStillPicture. Das Main-Profil des HEVC-Codec ist dabei etwa vergleichbar mit dem Progressive High Profil des H.264/MPEG-4 AVC Codecs.

Zusätzlich zum Normentwurf von HEVC wurde die Entwicklung von zukünftigen Erweiterungen für HEVC gestartet, wie etwa die Scalable-Video-Coding- (SVC)[12] und die Multiview-Video-Coding-Erweiterung (MV-HEVC).

Ebenen (Tiers) und Levels[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der HEVC-Standard definiert zwei Ebenen (Main Tier und High Tier) sowie verschiedene Level.[11] Der „Main Tier“ ist für die meisten Anwendungen ausgelegt worden, während der „High Tier“ nur für sehr anspruchsvolle Anwendungen Verwendung finden wird. Die Level definieren die Anforderungen für einen entsprechenden De- und Encoder, also welche maximale Auflösung und Bildwiederholungsrate dieser de- bzw. encodieren kann. Ein entsprechend ausgelegter Hardwaredecoder, der eine bestimmte Tier/Level-Kombination decodieren kann, muss immer auch alle darunter liegenden, niedrigeren Tiers und Levels decodieren können.

Für alle Level kleiner als Level 4 ist beim HEVC-Codec nur der „Main Tier“ spezifiziert.

Tiers und Levels mit den maximal spezifizierten Eigenschaftswerten[11]
Level Maximale Anzahl
von Luma-Pixel pro
Max. Datenrate für
Main- und Main 10-
Profile (Mbit/s)
Beispiele
Auflösung@Framerate
(MaxDpbSize)
[Notiz 1][Notiz 2]
Sekunde
MP/s
Frame
MP/Frame
Main tier High tier
1 0000,55296 00,036864 000,128 0256×1440@150 (6)
0128×9600@450 (16)
2 0003,6864 00,12288 001,5 0480×2560@300 (6)
0352×2400@430 (8)
2.1 0007,3728 00,24576 003 0640×3840@300 (6)
0352×2880@720 (14)
3 0016,5888 00,55296 006 0960×5400@320 (6)
0720×5760@400 (8)
3.1 0033,1776 00,98304 010 1280×7680@33,70 (6)
0960×5400@630 (6)
4 0066,84672 02,228224 012 030 1280×7200@720 (14)
1920×1080@320 (6)
2048×1080@300 (6)
4.1 0133,69344 020 050 1280×7200@144 (14)
1920×1080@640 (6)
2048×1080@600 (6)
5 0267,38688 08,912896 025 100 1920×1080@128 (16)
3840×2160@320 (6)
4096×2160@300 (6)
5.1 0534,77376 040 160 1920×1080@256 (16)
3840×2160@640 (6)
4096×2160@600 (6)
5.2 1069,54752 060 240 1920×1080@300 (16)
3840×2160@128 (6)
4096×2160@120 (6)
6 1069,54752 35,651584 060 240 3840×2160@128 (16)
7680×4320@320 (6)
8192×4320@300 (6)
6.1 2139,09504 120 480 3840×2160@256 (16)
7680×4320@640 (6)
8192×4320@600 (6)
6.2 4278,19008 240 800 3840×2160@300 (16)
7680×4320@128 (6)
8192×4320@120 (6)

Bemerkungen (engl. Notice):

  1. Die maximale Bildrate, die vom HEVC-Codec unterstützt wird, beträgt 300 Bilder je Sekunde (300 fps).
  2. Der Puffer für die decodierten Bilder (MaxDpbSize) beträgt für jedem Level und der jeweiligen maximalen Auflösung 6 Bilder. Wird die Auflösung für den entsprechenden Level nicht voll ausgenutzt, das heißt "Max luma picture size" ist deutlich kleiner als für den entsprechenden Level spezifiziert, kann der Puffer auf maximal 16 Bilder erhöht werden.

Better Portable Graphics (BPG)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Better Portable Graphics (BPG) ist ein 2014 von Fabrice Bellard aus dem HEVC-Standard entwickeltes Bildformat zur Speicherung von digitalen Standbildern.[13] Es ist ein Containerformat, welches das Format HEVC Main 4:4:4 16 Still Picture mit bis zu 14 Bit verwendet. Vergleichbar mit dem JPEG-Format unterstützt auch BPG die Farbunterabtastungen 4:4:4, 4:2:2, und 4:2:0. Als Dateinamenserweiterung wird .bpg vorgeschlagen. Die Wiedergabe der .bpg-Bilder erfolgt in einem Browser über eine JavaScript-Anwendung in einem HTML-Canvas-Element.

Patente und Kosten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ähnlich wie beim Vorgängerstandard H.264/MPEG-4 AVC haben zahlreiche Firmen Patentansprüche auf H.265/HEVC.[14] Eine Nutzung erfordert somit die Zahlung von Patentgebühren an die MPEG LA oder andere Patentinhaber oder -verwalter. Die mit HEVC kodierten Inhalte sind lizenzkostenfrei.[15] Die Lizenzen kosten bis zu sechzehnmal mehr als beim Vorgänger H.264 und die Kosten sind im Gegensatz zum Vorgänger auch nicht nach oben begrenzt.[16] In der Europäischen Union werden Softwarepatente als nicht gültig angesehen, daher erfordern Softwarelösungen wie der VLC media player (zumindest nach Auffassung der VideoLAN-Organisation) keine Lizenz für HEVC.[17]

Der von Firmen, die sich von der MPEG LA nicht vertreten lassen wollen, geschaffene Patentpool HEVC Advance erhebt zusätzliche Gebühren ab dem ersten Gerät. Außerdem soll jeder, der Umsätze mit H.265-Inhalten macht, 0,5 Prozent seiner Erlöse daraus abführen.[18]

Implementierungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bisher existieren mit x265[19] und Kvazaar[20] zwei freie Encoder für HEVC. Die libde265 ist ein freier Decoder mit eigenem Videoplayer für HEVC.[21][22]

Weitere Implementierungen aus dem Test HEVC Codec Comparison - 2015!:[23]

  • f265 H.265 Encoder
  • Intel MSS HEVC (GAcc) als (Software und GPU)
  • Ittiam HEVC Hardware Encoder
  • Strongene Lentoid HEVC Encoder
  • SHBP H.265 Real time encoder

Tests[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der zur Zeit wohl beste Encoder x265 hat im Vergleich H.265 zu H.264 nur einen 20 % geringeren Datenstrom als sein Vorgänger x264 bei gleicher Bildqualität und ist damit nur 25 % besser im MSU-Test.[24][25]

Das Ziel einer Verbesserung um 50 % mit H.265 wird aktuell nicht erreicht. In der Rückschau ohne die Verbesserungen der letzten Jahre im Codec x264 benötigt der aktuelle Stand des Codec x265 über 50 % weniger Datenstrom als sein Vorgänger x264 des Jahres 2006 oder gegenüber anderen Implementierungen.

Der Intel Encoder MSS ist durch die Anpassung an Intel-CPUs erheblich schneller in der Erstellung der H.265-Dateien und erreicht ähnliche kleine Datenmengen im MSU-Test.[26]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Mathias Wien: High Efficiency Video Coding: Coding Tools and Specification. Springer, 2014, ISBN 978-3662442753.
  • Jens-Rainer Ohm: Noch effizienter, bitte. Der kommende Videokompressionsstandard High Efficiency Video Coding (HEVC). In: c't. Nr. 14, 2012, S. 174–179.
  • Gary J. Sullivan, Jens-Rainer Ohm, Woo-Jin Han, Thomas Wiegand: Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard. In: IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. Band 22, Nr. 12, 2012 (online (PDF; 4,2 MB) [abgerufen am 1. Dezember 2012]).
  • Jens-Rainer Ohm, Gary Sullivan, Heiko Schwarz, Thiow Keng Tan, Thomas Wiegand: Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards – Including High Efficiency Video Coding (HEVC). In: IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. Band 22, Nr. 12, 2012 (online (PDF; 6,3 MB) [abgerufen am 1. Dezember 2012]).
  • Tilo Strutz: Bilddatenkompression - Grundlagen, Codierung, Wavelets, JPEG, MPEG, H.264, HEVC. 5. Auflage, SpringerVieweg, 2017, ISBN 978-3-8348-1427-2, Seiten 313–345

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. ITU TSB: Joint Collaborative Team on Video Coding. ITU-T. 23. April 2010. Abgerufen am 21. Mai 2010.
  2. G.J. Sullivan, J.-R. Ohm, W.-J. Han, T. Wiegand: Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard (pre-publication draft) (PDF; 4,2 MB) IEEE Trans. on Circuits and Systems for Video Technology. 1. Dezember 2012. Abgerufen am 13. September 2012.
  3. Quad-core SoC supports Android 4.0, 3840 × 1080 video resolution
  4. J.-R. Ohm, G.J. Sullivan, H. Schwarz, T.K. Tan, T. Wiegand: Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards – Including High Efficiency Video Coding (HEVC) (pre-publication draft) (PDF; 6,3 MB) IEEE Trans. on Circuits and Systems for Video Technology. 1. Dezember 2012. Abgerufen am 13. September 2012.
  5. Markus Weidner: DVB-T2 in Full-HD: Offizieller Start am 29. März 2017. Abgerufen am 26. Juni 2016.
  6. heise.de: DVB-T2: Nur echt mit Logo [1]. Stand 10. Juni 2015.
  7. T. Wedi, T.K. Tan, AHG report – Coding Efficiency Improvements, VCEG document VCEG-AA06, October 2005.
  8. Draft meeting report for 31st VCEG Meeting (Marrakech, MA, 15–16 January 2007; MS Word; 152 kB)
  9. New video codec to ease pressure on global networks. 25. Januar 2013. Abgerufen am 26. Januar 2013.
  10. ITU gibt Videostandard H.265 frei 26. Januar 2013, Golem.de
  11. a b c Benjamin Bross et al: High Efficiency Video Coding (HEVC) text specification draft 10 (for FDIS & Consent). MPEG Document Management System (englisch), 17. Januar 2013
  12. HEVC alias H.265 doppelt so effizient wie H.264 16. August 2012, Golem.de
  13. BPG Image format. Fabrice Bellard. 2014. Abgerufen am 23. Dezember 2014.
  14. Stephen Shankland: HEVC, a new weapon in codec wars, to appear in September, CNET, 22. August 2012
  15. MPEG LA Announces License Terms for High Efficiency Video Coding (HEVC/H.265)
  16. Christian Kirsch: [2], heise online, 12. August 2015
  17. Stephen Shankland: VLC steps into next-gen video wars with VP9, HEVC support, CNET, 15. November 2013
  18. Ferdinand Thommes: Neuer Patentpool fordert höhere Abgaben für H.265, Pro-Linux, 27. Juli 2015
  19. x265
  20. Kvaazar
  21. libde265 - eine freie h.265 Implementierung (LGPL)
  22. Dirk Farin: open h.265 codec implementation
  23. HEVC Codec Comparison - 2015! Abgerufen am 22. April 2016.
  24. PDF 4K HEVC Codec Comparison - 2015! Abgerufen am 22. April 2016.
  25. PDF HD HEVC Codec Comparison - 2015! Abgerufen am 22. April 2016.
  26. Intel® Media Server Studio HEVC Codec Scores Fast Transcoding Title. Abgerufen am 22. April 2016.