h.265编码在广电网络中的应用前景分析2

H.265编码在广电网络中的应用前景分析 钱振凯 1 唐凡 2 （江苏广电有线信息网络股份有限公司泰州分公司，江苏 225300） 1 （江苏广电有线信息网络股份有限公司泰州分公司，江苏 225300） 2 摘 要 H.265 编码标准是 ITU-T VCEG 继 H.264 之后所制定的新的视频编码标准。 H.265 以 H.264 为基础，使用先进的技术改善码流、编码质量，延时和算法复杂度之间的 关系，实现最优化设置。H.265 编码在广电网络的应用前景如何？是否真的可以在广电网 络中大面积推广，取代 MPEG-2 或者 H.264？本文将从三个方面展开分析，并给出结论 。 关键词 H.265 编码 The analysis about application prospect of H.265 coding in radio and television networks QIAN Zhenkai1 TANGFan2 (taizhou branch of jiangsu cable network,jiangsu 225300,china)1 (taizhou branch of jiangsu cable network,Jiangsu 225300,china)2 Summary H.265 coding standard is the new video coding standard after the H.264. Based on H.264, use advanced technology to improve code quality, the relationship between the time delay and the complexity of algorithm. Whether can really wide use in the radio and television networks, replace MPEG-2 or H.264? This article will analysis from three aspects, and the conclusion is given. Key words H.265 coding 0引言 H.265编码标准是 ITU-T VCEG 继 H.264之后所制定的新的视频编码标准。 H.265以 H.264为基础，使用先进的技术改善码流、编码质量，延时和算法复 杂度之间的关系，实现最优化设置。具体的研究内容包括：提高压缩效率、提 高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时 延、降低复杂度等。 相关资料显示：采用 H.265编码标准能在有限带宽下传输更高质量的视频， 支持 4K(38402160) 和 8K(76804320) 像素的超高清视频。有分析人士预 言 H.265标准的出台最终可以让广播电视公司放弃垂垂老矣的 MPEG-2，因为同 样的内容，H.265 可以减少 70-80%的带宽消耗。 H.265编码在广电网络的应用前景如何？是否真的可以在广电网络中大面 积推广，取代 MPEG-2或者 H.264？本文将从三个方面展开分析，并给出结论。 1 MPEG-2，H.264，H.265 编码效率比较 目前的 H.265标准共有三种模式：Main、Main 10、Main Still Picture。Main 模式 支持 8bit色深(即红绿蓝三色各有 256个色度，共 1670万色)，Main 10模式支持 10bit 色深，将会用于超高清电视(UHDTV)上。前两者都将色度采样格式限制为 4:2:0。现以 4:2:0的视频分量编码格式，8bit 均匀量化为参考依据进行比对。 1.1 商用压缩率比较 三种编码方式商用压缩效率列表如下（表 1） 表 1：三种编码方式商用压缩效率列表 MPEG-2 H.264 H.265 备注 SDTV （720 *576） 4.2Mbps 2Mbps 1.3Mbps 2K HDTV (1920 *1080） 17Mbps 10Mbps 6.5Mbps 4K UHDTV (3840 *2160） 不支持 35.5Mbps 23.1Mbps 估算 8K UHDTV （7680*4320） 不支持 不支持 90Mbps 估算 商用压缩比 30-40 倍 60-70 倍 95-110 倍 三种编码方式的商用码率对比图如下（图 1） 江苏有线泰州分公司-H.265 编码在广电网络中的应用前景分析 3 图 1：三种编码方式的商用码率对比 1.2 带宽利用率比较 1.2.1 64QAM 模式下 64QAM模式下，一路数字带宽约为 38Mbps。CA、EPG、如家等数据带宽约为 3Mbps， 视频实际可用带宽为 35Mbps。三种编码方式 64QAM模式下带宽利用率列表如下（表 2） （本 次计算不涉及统计复用及高标清混传） 表 2：三种编码方式 64QAM模式下带宽利用率比较 MPEG-2 H.264 H.265 SDTV （720 *576） 8 套 剩余带宽 1.4 Mbps 带宽利用率 96% 17 套 剩余带宽 1Mbps 带宽利用率 97.1% 27 套 剩余带宽 0Mbps 带宽利用率 100% 2K HDTV (1920 *1080） 2 套 剩余带宽 1Mbps 带宽利用率 97.1% 3 套 剩余带宽 5Mbps 带宽利用率 85.7% 5 套 剩余带宽 2.5Mbps 带宽利用率 92.9% 4K UHDTV (3840 *2160） 不支持 1 套 剩余带宽 0Mbps 带宽利用率 100% 1 套 剩余带 11.9Mbps 带宽利用率 66% 8K UHDTV （7680*4320） 不支持 不支持 不支持 1.2.2 256QAM 模式下 64QAM模式下，一路数字带宽约为 50Mbps。CA、EPG、如家等数据带宽约为 3Mbps，视 频实际可用带宽为 47Mbps。三种编码方式 256QAM模式下带宽利用率列表如下（表 3） （本 次计算不涉及统计复用及高标清混传） 表 3：三种编码方式 256QAM模式下带宽利用率比较 MPEG-2 H.264 H.265 SDTV （720 *576） 11 套 剩余带宽 0.8Mbps 带宽利用率 98.3% 23 套 剩余带宽 1Mbps 带宽利用率 97.9% 36 套 剩余带宽 0.2Mbps 带宽利用率 99.6% 2K HDTV (1920 *1080） 2 套 剩余带宽 13Mbps 带宽利用率 72.3% 4 套 剩余带宽 7Mbps 带宽利用率 85.1% 7 套 剩余带宽 1.5Mbps 带宽利用率 96.8% 4K UHDTV (3840 *2160） 不支持 1 套 剩余带宽 11.5Mbps 带宽利用率 75.5% 2 套 剩余带 0.8Mbps 带宽利用率 98.3% 8K UHDTV （7680*4320） 不支持 不支持 不支持 2 广电网络是否需要推广 H.265编码 广电网络是否需要推广 H.265编码，必须从广电网络发展的实际出发，紧跟时代发展 的潮流，用发展的眼光研究论证。 作为新一代视频编码技术，H.265 有着前面几代编码技术，如 MPEG-2、H.264 的无可 比拟的优势，即目前没有能够与之竞争的压缩技术，因此兼容性方面也有一个很大优势。 随着标准近一步统一和半导体芯片技术的发展，解决了 H.265计算复杂度的瓶颈后，在超 高清节目源制作应用方面，就像 H.264替换之前的 MPEG-2一样，H.265 必然会替换现在的 H.264技术。 随着社会改革的进一步深入，人民群众的文化需求日益提高，4K 高清将成为时代的 主流。作为有线电视运营商应该紧跟时代发展的潮流，利用 H.265对 4K(38402160) 和 8K(76804320)视频的支持特性，下决心推广 H.265编码。 国际方面：年初的美国 CES国际消费电子展会上，众多的 4K分辨率的超高清电视让 人耳目一新，国外许多品牌都已经推出了 4K 电视机及附属产品。日本，韩国、美国、法 国等国家，都在加紧建设 4K电视直播平台。 国内方面：各大家电卖场，都以 4K电视机为卖点，吸引用户购买。前一段时间，国 家广播电视产品质量监督检验中心，中国电子商会发布了 4K超高清电视首个行业统一标准 -4K 超高清电视选购标准 ，首次从屏、芯片、系统、画面提升技术等方面，对 4K 电视 进行了全方位的严格规范。 江苏有线泰州分公司-H.265 编码在广电网络中的应用前景分析 5 从“三网融合”的角度分析：H.265 标准为电信 IPTV发展 2K 高清提供了可能，目前电信 普通家庭入户带宽达到 8 Mbps，一路 H.265编码的 2K 高清只要 6.5Mbps。与 H.264相比 码率压缩了 50%，而且不影响清晰度。 展望即将兴起的“三屏融合”应用：手机、平板电脑等移动设备对流播视频的数据量 提出了苛刻要求，H.265 在播放 2K、4K 超清节目时可以节约大量空间和带宽，为今后广电 网络开展跨屏业务提供有力支持。 因此我们认为广电网络需要推广 H.265编码。 3 广电网络推广 H.265编码方案探讨 广电网络如何推广 H.265编码，本报告将从前端播出平台，HFC 传输网络，终端接收 三个方面进行探讨。 3.1 推广 H.265编码对前端的要求 广电网络推广 H.265编码是为了 4K 高清节目的传输。当前 4K电视机用户数量有限。 在确保现有电视业务安全传输的前提下，满足高端用户 4K节目收视需求，安全、可行的 办法就是再建一套前端播出平台，与现有播出平台共网运行。具体流程图见图 2（绿色框 图表示调整部分，灰色框图表示例旧） 支持 H . 2 6 4 、 M P E G - 2 编码方 式的机顶盒 复用 、 加 扰 、 调制 H F C 网 （ 新建 ） 复用 、 加 扰 、 调制 混合器 M P E G - 2 、 H . 2 6 4 编码 信源 H . 2 6 5 编码 信源 支持 H . 2 6 4 、 M P E G - 2 、 H . 2 6 5 编 码方式的机顶盒 图 2：双播出平台共网传输流程图 新建播出平台应满足如下需求： （1）采用支持 H.265编码标准的编码器、数字卫星接收机。 （2）前端复用器支持 H.265编码节目的解析，复用。复用器支持超过 200Mbps码流的输入， 支持最大 80Mbps复用输出。 （3）调制器支持 256QAM或者更高阶的调制方式，射频输出频率在 47857MHZ可调。输出 电平在 50-61dBmv可调。输出信号 EVM40db。 根据对 H.265标准压缩率的估算，采用 256QAM时每个通道可传输 2套 4K 高清节目，优于 64QAM时每个通道 1套 4K 高清节目的传输效率。结合传输网络的物理现 状，新建播出平台将采用 256QAM调制方式。以泰州为例，若采用 256QAM， 目前空余 8个频点可传输 4K 高清节目 16套。 第二代传输标准 DVB-C2在 2010年制定完成，第二代 DVB 标准普遍采用高阶调制，最 高达到 4096QAM。如果新建播出平台支持 DVB-C2标准，可以大量增加入网传输的 4K高清 节目数量，当然这也需要我们的传输网络按照 DVB-C2标准的要求进行改造，调整，优化。 3.2 推广 H.265编码对传输网络要求 传输网络的抗干扰、纠错能力取决于信道编码。H.265 编码作为一种信源编码与传输 网络无直接关系。我们需要关注的是采用 256QAM传输 H.265编码节目的网络要求。引用太 原有线对 256QAM方式传输高清电视的测试报告：要保证用户端收看到高质量的数字电视节 目，需要同时具备以下 3点条件： （1）要求有线 HFC网的质量要比较好，各项技术指标符合行业标准。如：用户端的输入电 平在 70 db左右，在 BER25，256QAM 的 MER32。 （2）有线数字电视前端的 QAM调制设备可靠性要高、技术指标要好，256QAM 传输高清时， 输出电平110dBV。 （3）终端接收的高清机顶盒本身要工作稳定、质量可靠，要有 3C认证，具备 64QAM与 256QAM的自动识别能力。 下表为 3C认证机顶盒国家标准要求（表 4） 表 4：3C 认证机顶盒国家标准要求 序号 项 目 单位 技术要求 备注 40 (64-QAM) 1 最小接收信号电平 dBV 44(256-QAM) 符号率为 6.875 Mbaud 26 (64-QAM) 2 C/N 门限 dB 33 (256-QAM) 测量电平为 60dBV 符号率为 6.875 Mbaud 纠错前 BER 纠错后 BER 23 (64-QAM) 临界值 27 (256-QAM) 1.0E-6 1.0E-7 27 (64-QAM) 标准值 31 (256-QAM) 1.0E-7 1.0E-8 22 (64-QAM) 3 机顶盒 MER Db 最佳值 35 (256-QAM) 0.0E-8 0.0E-0 前段时间，我们对 256QAM传输高清节目进行了在网测试，测试结果达到预定要求。今 后如果全面推广 H.265编码，传输网络应当按照上述指标建议，优化全网配置，满足传输 要求。 江苏有线泰州分公司-H.265 编码在广电网络中的应用前景分析 7 3.3