High Efficiency Video Coding


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High Efficiency Video Coding (HEVC), auch bekannt als H.265 bzw. MPEG-H Teil 2, ist ein Standard zum Kodieren von Videoinhalten. Er ist Nachfolger des H.264/MPEG-4-AVC-Standards und konkurriert mit VP9. 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.<ref>ITU TSB: Joint Collaborative Team on Video Coding. ITU-T. 23. April 2010. Abgerufen am 21. Mai 2010.</ref><ref>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.</ref> 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.<ref name="ZMS40">Quad-core SoC supports Android 4.0, 3840 × 1080 video resolution</ref><ref>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.</ref>
Anwendungen sind beispielsweise die Übertragung von ultra-hochauflösenden Fernsehprogrammen, Unterhaltungselektronik (Blu-ray Disc-Player mit 4 K Auflösung, Camcorder) oder Streaming-Angebote. Auch bei der terrestrischen Verbreitung von Inhalten in HD (DVB-T2) in Deutschland soll der Codec zum Einsatz kommen.<ref>heise.de: DVB-T2: Nur echt mit Logo [1]. Stand 10. Juni 2015.</ref>

Geschichte

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.<ref>T. Wedi, T.K. Tan, AHG report – Coding Efficiency Improvements, VCEG document VCEG-AA06, October 2005.</ref> 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.<ref>Draft meeting report for 31st VCEG Meeting (Marrakech, MA, 15–16 January 2007; MS Word; 152 kB)</ref>

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 Spitzname H.265 war vor allem für die mögliche Schaffung eines neuen Standards vorgesehen.

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.

Profile

Der im Januar 2013 verabschiedete Entwurf für H.265/HEVC<ref name="HEVCdraft10">Benjamin Bross et al: High Efficiency Video Coding (HEVC) text specification draft 10 (for FDIS & Consent). MPEG Document Management System (englisch), 17. Januar 2013</ref> 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- (SHVC)<ref name="Golem_1208_93883">HEVC alias H.265 doppelt so effizient wie H.264 16. August 2012, Golem.de</ref> und die Multiview-Video-Coding-Erweiterung (MV-HEVC).

Ebenen (Tiers) und Levels

Der HEVC Standard definiert zwei Ebenen (Main Tier und High Tier) sowie verschiedene Level.<ref name="HEVCdraft10" /> 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 bzw. 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<ref name="HEVCdraft10" />
Level Max luma sample rate
(samples/s) 		Max luma picture size
(samples) 		Max bit rate for Main and Main 10 profiles (kbit/s) Example picture resolution @
highest frame rate<ref group="Notiz" name="A" />
(MaxDpbSize<ref group="Notiz" name="B" />)
Main tier High tier
1 552.960 36.864 128 - 128×96@33,7 (6)
176×144@15,0 (6)
2 3.686.400 122.880 1.500 - 176×144@100,0 (16)
352×288@30,0 (6)
2.1 7.372.800 245.760 3.000 - 352×288@60,0 (12)
640×360@30,0 (6)
3 16.588.800 552.960 6.000 - 640×360@67,5 (12)
720×576@37,5 (8)
960×540@30,0 (6)
3.1 33.177.600 983.040 10.000 - 720×576@75,0 (12)
960×540@60,0 (8)
1280×720@33,7 (6)
4 66.846.720 2.228.224 12.000 30.000 1.280×720@68,0 (12)
1.920×1.080@32,0 (6)
2.048×1.080@30,0 (6)
4.1 133.693.440 20.000 50.000 1.280×720@136,0 (12)
1.920×1.080@64,0 (6)
2.048×1.080@60,0 (6)
5 267.386.880 8.912.896 25.000 100.000 1.920×1.080@128,0 (16)
3.840×2.160@32,0 (6)
4.096×2.160@30,0 (6)
5.1 534.773.760 40.000 160.000 1.920×1.080@256,0 (16)
3.840×2.160@64,0 (6)
4.096×2.160@60,0 (6)
5.2 1.069.547.520 60.000 240.000 1.920×1.080@300,0 (16)
3.840×2.160@128,0 (6)
4.096×2.160@120,0 (6)
6 1.069.547.520 35.651.584 60.000 240.000 3.840×2.160@128,0 (16)
7.680×4.320@32,0 (6)
8.192×4.320@30,0 (6)
6.1 2.139.095.040 120.000 480.000 3.840×2.160@256,0 (16)
7.680×4.320@64,0 (6)
8.192×4.320@60,0 (6)
6.2 4.278.190.080 240.000 800.000 3.840×2.160@300,0 (16)
7.680×4.320@128,0 (6)
8.192×4.320@120,0 (6)

Notiz <references group="Notiz"> <ref group="Notiz" name="A"> Die maximale Bildrate, die vom HEVC Codec unterstützt wird, beträgt 300 Bilder je Sekunde (300 fps). </ref> <ref group="Notiz" name="B"> Der Puffer für die decodierten Bilder (MaxDpbSize) beträgt bei 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 auch auf bis zu maximal 16 Bilder erhöht werden. </ref> </references>

Better Portable Graphics (BPG)

Better Portable Graphics (BPG) ist ein 2014 von Fabrice Bellard aus dem HEVC Format entwickeltes Bildformat zur Speicherung von digitalen Standbildern <ref name="bellard">BPG Image format. Fabrice Bellard. 2014. Abgerufen am 23. Dezember 2014.</ref>. Es ist ein Containerformat, welches das HEVC Main 4:4:4 16 Still Picture Format 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

Ähnlich wie beim Vorgängerstandard H.264/MPEG-4 AVC haben zahlreiche Firmen Patentansprüche auf H.265/HEVC.<ref>CNET: HEVC, a new weapon in codec wars, to appear in September</ref> Eine Nutzung erfordert somit die Zahlung von Patentgebühren an die MPEG LA oder andere Patentinhaber bzw. -verwalter in Höhe von 0,20 US-$ pro Einheit ab 100.000 Stück/Jahr, maximal jedoch 25 Millionen US-$/Jahr. Die mit HEVC kodierten Inhalte sind lizenzkostenfrei.<ref>MPEG LA Announces License Terms for High Efficiency Video Coding (HEVC/H.265)</ref> 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.<ref>http://www.heise.de/newsticker/meldung/Thor-Cisco-kuendigt-patentfreien-Video-Codec-als-Open-Source-an-2777548.html</ref> 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.<ref>CNET anlässlich der erstmaligen HEVC-Unterstützung in VLC</ref>

Ein weiterer Patentpool von Firmen, die sich von der MPEG LA nicht vertreten lassen, erhebt zusätzliche Gebühren ab dem ersten Gerät. Außerdem soll jeder, der Umsätze mit H265-Inhalten macht, 0,5 Prozent seiner Erlöse daraus abführen.<ref>http://www.pro-linux.de/news/1/22566/neuer-patentpool-fordert-hoehere-abgaben-fuer-h265.html</ref>

Implementierungen

Bisher existieren mit x265<ref>x265</ref> (Nachfolger des x264-Projekts) und Kvazaar<ref>Kvaazar</ref> zwei freie Encoder für HEVC. Die libde265 ist ein freier Decoder mit eigenem Videoplayer für HEVC.<ref>libde265 - eine freie h.265 Implementierung (LGPL)</ref><ref>Dirk Farin: open h.265 codec implementation</ref>

Literatur

  • 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. Bd. 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. Bd. 22, Nr. 12, 2012 (online (PDF; 6,3 MB), abgerufen am 1. Dezember 2012).

Weblinks

Einzelnachweise

<references />