ISOIEC 23008-22023 信息技术.异构环境中的高效编码和媒体传送.第2部分高效视频编码标准立项发展报告

信息技术异构环境中的高效编码和媒体传送第2部分：高效视频编码标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:InformationTechnology—HighEfficiencyCodingandMediaDeliveryinHeterogeneousEnvironments—Part2:HighEfficiencyVideoCoding摘要随着超高清视频、虚拟现实、云游戏和远程呈现等新兴应用的蓬勃发展，视频数据量呈指数级增长，对视频编码技术的压缩效率、并行处理能力和网络适应性提出了前所未有的挑战。在此背景下，国际标准化组织动态图像专家组联合国际电工委员会，历经多年协同攻关，于2023年10月正式发布ISO/IEC23008-2:2023《信息技术异构环境中的高效编码和媒体传送第2部分：高效视频编码》（HEVC/H.265标准）。本报告全面梳理了该标准的立项背景、技术演进脉络、主要技术特征及其在国际标准化体系中的定位与作用。报告指出，ISO/IEC23008-2:2023在继承前版标准核心技术框架的基础上，针对高动态范围、宽色域和高帧率视频编码进行了深度优化，显著增强了并行编码架构和支持更高比特深度与色度采样格式的能力，进一步巩固了HEVC作为4K/8K超高清视频核心编码标准的地位。该标准的发布不仅为全球视频产业提供了关键技术支撑，也为我国超高清视频产业的标准化发展和国际布局提供了重要参照。关键词：高效视频编码；HEVC；异构环境；媒体传送；视频压缩标准；ISO/IEC230081引言数字视频已成为当今信息社会最重要的信息载体之一。从移动短视频到高清影视制作，从视频会议到远程医疗，视频应用已渗透至经济社会发展的方方面面。然而，视频数据量的急剧膨胀与网络带宽和存储资源之间的矛盾日益尖锐。据行业统计，视频流量已占据全球互联网下行流量的70%以上，这一比例仍在持续攀升。在此背景下，视频编码技术作为解决视频大数据传输与存储瓶颈的核心手段，其标准化工作具有重大的产业价值和战略意义。ISO/IEC23008（即MPEG-H系列标准）是国际标准化组织动态图像专家组面向异构网络环境下高效视频编码与媒体传送需求而制定的系列标准。其中，第2部分定义了高效视频编码（HighEfficiencyVideoCoding，HEVC）标准，业界通称H.265。该标准由ISO/IECJTC1/SC29（音频、图像、多媒体和超媒体信息编码分技术委员会）与ITU-TSG16（VCEG）联合制定，旨在实现相较此前的H.264/AVC标准约50%的压缩效率提升，并支持从QCIF（176×144）到8KUHD（7680×4320）的宽泛分辨率范围。2023年10月31日，ISO/IEC正式发布ISO/IEC23008-2:2023修订版。本次修订集中反映了视频编码技术领域近年来的最新进展，尤其是在高动态范围（HDR）、宽色域（WCG）以及高帧率（HFR）视频编码方面的技术突破，同时对并行处理架构进行了优化，以满足日益增长的计算需求和实时应用场景。本报告对该标准的立项背景、修订历程、主要技术内容及产业影响进行系统分析，以期为行业提供参考。2标准立项背景与修订历程2.1技术发展背景视频编码标准的发展始终沿着“更高压缩效率、更好视频质量、更强功能支持”的主线演进。自2003年H.264/AVC标准发布以来，视频编码技术虽在应用层面获得了巨大成功，但面对日益增长的超高清视频需求，其编码效率已逐渐难以满足产业需要。为此，ISO/IECMPEG与ITU-TVCEG于2010年共同组建视频编码联合协作团队（JCT-VC），正式启动下一代视频编码标准的研发工作。HEVC标准的制定工作于2010年4月启动，历时三年多，先后完成技术征集、核心实验、工作草案、委员会草案、国际标准草案等多个阶段，于2013年1月正式发布ISO/IEC23008-2:2013第一版。这一版本的技术框架被定义为“相对于H.264/AVCHighProfile，在同等主观质量下可节省约50%的码率”。该目标在标准制定过程中通过引入四叉树编码结构、更大的编码树单元、改进的帧内预测、样本自适应偏移（SAO）和运动矢量竞争等技术手段得以实现。2.2历次修订与本次修订背景自2013年首次发布以来，ISO/IEC23008-2先后经历了多次修订和扩展：-2013年：第一版发布，确立HEVCBaseline、Main和Main10等档次；-2014年：发布第一版修订（v2），增加了范围扩展（RangeExtensions）档次，支持4:2:2和4:4:4色度采样格式及更高比特深度；-2015年：发布v3修订，增加可分级编码扩展（SHVC）和三维视频编码扩展；-2016-2018年：持续发布修订版，完善多视图编码和多层编码能力；-2020年：发布v7修订版，补充了对HDR和WCG编码的若干增强工具。本次发布的ISO/IEC23008-2:2023（v8修订版）是在前版基础上的一次全面技术更新。随着超高清视频内容在广播、流媒体、游戏和虚拟现实等领域的遍地开花，业界对高效处理高动态范围、宽色域和高帧率视频内容的需求日益升温。特别是面向部分高端应用场景中10-bit乃至12-bit比特深度的编码需求，以及4:2:2和4:4:4色度格式的广泛使用，本次修订重点完善了Main10、Main4:2:210和Main4:4:410/12等档次的技术规范细节，补充了相应的编码工具和编码约束条件，提升了标准对专业视频制作和分发场景的适配能力。此外，随着多核处理器和GPU并行计算架构的普及，如何充分利用并行计算资源提升编码速度已成为产业界的关注焦点。本次修订在并行编码工具方面进行了优化，对波前并行处理（WPP）和片（Tile）划分技术进行了细化规定，为硬件编解码器设计提供了更为清晰的技术指引。2.3国际标准化环境与政策背景在标准制定过程中，全球视频产业面临的一个关键问题是专利授权政策对标准推广的影响。HEVC标准的专利池由多个专利管理机构管理，包括AdvancedAccessContentSystem（AAC）许可管理平台、HEVCAdvance和VelosMedia等，形成了多元化的专利许可格局。这种格局虽在一定程度上增加了专利许可的复杂性，但也促进了不同商业模式下的技术推广。与此同时，开放媒体联盟（AllianceforOpenMedia）在2018年推出了免专利费的AV1编码格式，形成了技术路线上的竞争。这促使HEVC标准在不断优化技术性能的同时，也在许可政策上逐步调整以适应市场需要。从政策层面看，多个国家和地区已将超高清视频产业列为战略性新兴产业方向。中国国家广播电视总局在《超高清视频产业发展行动计划（2019-2022年）》中明确提出加快超高清视频标准体系建设，推动视频编码标准的应用落地。欧盟在《欧洲媒体行动计划》中也强调了媒体基础设施标准化的重要性。这些政策导向为ISO/IEC23008-2:2023的修订和实施提供了积极的政策环境。3标准主要内容3.1标准框架与核心技术架构ISO/IEC23008-2:2023沿用了HEVC标准确立的基本编码框架，即基于块（block-based）的混合视频编码架构。该框架由若干关键模块构成，各模块之间协同工作以达成高压缩效率与良好重建质量的平衡。在编码结构方面，标准采用灵活的编码树结构。HEVC将编码树单元（CTU）作为基础处理单元，其尺寸可由编码器从64×64、32×32、16×16等规格中选择。每个CTU可依据图像内容特性递归地切分为编码单元（CU），而每个CU可进一步划分为预测单元（PU）和变换单元（TU）。这种基于四叉树的递归划分机制相较于H.264/AVC中固定的16×16宏块结构，可更为精细地适配图像的局部特征，显著提升编码效率和主观质量。在帧内预测方面，HEVC提供多达35种帧内预测模式，包括33种角度预测模式和DC、Planar两种特殊模式。角度预测的分辨率由H.264/AVC中的1/4像素精度提升至1/32像素精度，这大大提高了对复杂纹理方向的预测精准度，尤其有利于包含丰富方向性边缘的高清视频内容。此外，HEVC还引入了帧内块复制（IBC）技术，该技术可有效提升屏幕内容和视频中重复纹理的编码效率。在帧间预测方面，标准保留了基于块的运动估计与运动补偿框架，但引入了先进运动矢量预测（AMVP）和合并（Merge）模式等工具。在Merge模式下，当前预测单元可从空间或时间相邻块中直接继承运动参数，并以极少的比特数传递运动信息。该机制可以使编码器在比特率受限的场景下做出更优的率失真决策。变换与量化方面，HEVC采用整数离散余弦变换（DCT）作为主要变换手段，支持4×4、8×8、16×16和32×32四种尺寸。此外，针对帧内编码残差，标准还定义了4×4整数离散正弦变换（DST）作为补充变换手段，以更好地匹配帧内预测残差的统计特性。量化过程采用率失真优化量化（RDOQ）技术，可在给定比特率约束下选取最优量化步长。环路滤波方面，HEVC引入去块效应滤波（DeblockingFilter）和样本自适应偏移（SAO）两个级联的滤波模块。去块效应滤波旨在消除块效应伪影，SAO则通过为每个编码树单元添加像素级偏移量来减少振铃效应和失真。这两种滤波技术是保证高压缩码率下重建视频主观质量的关键环节。3.2并行处理支持面向异构环境的多核处理器和并行计算架构，HEVC标准为并行编码和并行解码提供了多层次的工具支持。其中，片（Tile）划分技术将图像划分为由整数个CTU组成的矩形区域，各片可独立编码和解码，从而支持空间级并行。波前并行处理（WPP）则通过将图像切分为CTU行，每一CTU行的编码依赖于上一行已编码CTU的熵编码状态，形成波前式的并行推进。在本次修订版中，WPP的同步机制得以细化，多个波前之间可采用确定的熵编码同步点，有效减少并行处理中的等待延迟。此外，WPP与Tile可组合使用，为不同层次的并行度需求提供灵活的配置方案。这些工具的完善为8K超高清视频的实时编码解码以及云计算视频处理场景提供了关键支撑。3.3高动态范围与宽色域支持高动态范围和宽色域技术是超高清视频体验的重要组成部分。HDR视频可以呈现从0.005尼特到10000尼特之间的更广亮度范围，而WCG则扩展了色彩表达的边界。为有效压缩HDR/WCG视频内容，ISO/IEC23008-2:2023完善了与SMPTEST2084（PQ传输函数）和ARIBSTD-B67（HLG传输函数）的适配编码规范，明确了编码器在色彩转换和量化过程中的技术参数选择原则。同时，标准对Main10档次中10-bit精度的编码工具进行了重点优化，10-bit编码相较8-bit可显著降低HDR内容的带状伪影（bandingartifact），在同等码率下获得更好的主观质量。3.4档次、级别与技术参数ISO/IEC23008-2:2023定义了多个档次（Profile）和级别（Level），不同档次面向不同的应用需求。其中，Main档次为各应用场景提供了一套通用的编码工具集合，支持8-bit比特深度和4:2:0色度采样，广泛应用于广播电视、流媒体和视频会议等主流场景。Main10档次在Main档次基础上增加对10-bit编码的支持，并可选取更高精度的变换与量化参数，成为超高清视频的主流选择。Main4:2:210档次支持4:2:2色度采样和10-bit编码，主要面向专业视频制作和交换场景。Main4:4:44和Main4:4:410/12档次支持4:4:4色度格式乃至12-bit深度，服务于高端电影制作和计算机生成影像需求。此外，标准还定义了可分级扩展档次（MultiviewMain等），为多视角和3D视频应用提供了灵活的多层编码方案。级别约束了图像分辨率、帧率、比特率、解码器缓冲区大小等处理能力参数。标准定义了从Level1到Level6.2的多个级别，最高可支持7680×4320分辨率、120帧/秒的编码码流。在本次修订中，标准补充了部分中间级别的帧率与比特率组合约束条件，从而使编码器配置文档更适应实际流媒体分发的多样性需求。4主要参与单位ISO/IEC23008-2:2023的制定汇聚了全球视频编码领域的顶尖研究机构和企业力量，其开发和维护由ISO/IECJTC1/SC29与ITU-TSG16下设的联合视频编码专家组协作完成。在众多参与单位中，德国弗劳恩霍夫通信技术研究所（FraunhoferHeinrichHertzInstitute，FraunhoferHHI）作为HEVC技术的主要发明者和推动者之一，扮演了不可替代的核心角色。FraunhoferHHI是欧洲最大的应用研究机构之一，长期致力于视频编码、图像处理和通信技术的研究。该研究所早在HEVC标准的预研阶段便提出了一系列关键编码工具，包括四叉树编码结构、大尺寸编码树单元、先进帧内预测模式和样本自适应偏移等，这些工具最终成为HEVC标准的核心技术要素。同时，FraunhoferHHI还主导了HEVC参考软件HM（HEVCTestModel）的开发与维护，为标准验证、测试和性能评估提供了权威的基准平台。在本次修订过程中，FraunhoferHHI的研究团队在HDR/WCG编码工具优化和并行编码同步策略方面提出了多项技术提案，为标准的技术方案完善做出了重要贡献。此外，FraunhoferHHI在ISO/IEC23008-2:2023的符合性测试和验证工作中也发挥了关键作用，为标准的可实施性和互操作性提供了保障。5产业应用与影响5.1应用场景ISO/IEC23008-2:2023所定义的高效视频编码技术已广泛应用于众多产业领域，其影响范围覆盖了从内容生产到终端消费的全产业链环节。5.2国际对标与竞争格局值得注意的是，在HEVC标准持续演进的同期，视频编码标准的竞争格局也在悄然生变。由Google、Mozilla、Amazon、Netflix等企业主导的开放媒体联盟（AOMedia）在2018年发布了免专利费的AV1编码格式。AV1在压缩效率方面对标HEVC并力求超越，同时通过免许可模式降低产业门槛，迅速获得互联网流媒体巨头的采纳。随后，2020年发布的VVC（VersatileVideoCoding，即H.266）又在压缩效率上较HEVC提升约30%-50%。面对上述竞争态势，ISO/IEC23008-2:2023的发布具有重要的承前启后意义。一方面，HEVC在硬件生态成熟度方面仍然具备不可替代的优势——从智能手机SoC到独立GPU，从专业编解码器芯片到消费级电视机的系统级芯片，HEVC硬件解码能力已广泛普及。另一方面，HEVC作为H.264的继任者，在广播、专业制作和存储分发等关键垂直领域具有深入的存量部署和标准锁定效应，标准的持续修订能够有效延长其技术生命期。新修订版对HDR/WCG和并行处理的支持进一步增强了HEVC在这一长尾阶段的适用性，使既有标准和新兴编码标准之间形成了互相补充、按需选择的格局。6结论与展望ISO/IEC23008-2:2023的发布标志着HEVC标准在持续演进道路上的一次重要更新。本次修订在保持原有编码架构稳定性的前提下，针对超高清视频内容的编码需求进行了系统性完善，尤其在更高比特深度支持、专业色彩格式适配、并行处理能力优化等维度取得了实质性进展。这对于延长HEVC作为核心视频编码标准的生命周期、保障全球视频产业技术投资的持续性、以及支撑超高清视频生态系