高効率ビデオ符号化

H.265は、HEVC（High Efficiency Video Coding、高效率视频编码）とも呼ばれ、ITU-TとISO/IECが共同で策定した動画圧縮規格である。両団体の専門家により2010年に「映像符号化合同協力チーム（Joint Collaborative Team on Video Coding、JCT-VC）」が結成され、2013年に第1版が承認され、それぞれITU-T H.265およびISO/IEC 23008-2として番号が割り当てられました。MPEG規格体系においては、MPEG-H Part 2とも呼ばれています。

H.265とHEVCは、同一規格の2つの名称です。

前者はITU-T勧告番号に由来し、後者は規格の略称です。

HEVCは、フレーム内予測、運動補償、変換、量子化、エントロピー符号化からなるハイブリッド符号化フレームワークを引き継いでいるが、低解像度動画から超高解像度番組に至るまで、さまざまな用途に対応できるよう、画像分割、予測、および並列処理のメカニズムを再設計している。HEVCでは、固定の16×16マクロブロックを最上位の画像単位とすることはなくなりました。画面はまず符号化ツリー単位に分割され、その輝度領域は第1版では通常64×64サンプルポイントに達し、その後、4分木に従って再帰的に符号化単位に分割されます。比較的広い平坦な領域は少数の大きなブロックで表現でき、物体のエッジ、文字、または複雑な動きにはより小さな分割を使用できます。符号化ユニットの下位には、フレーム内またはフレーム間予測領域を記述するための予測ユニットと、残差変換構造を担う変換ユニットが区別されています。したがって、予測境界と変換境界は完全に一致する必要はない。フレーム内予測では、平面、直流、および33種類の角度モードが提供され、すでに再構成された隣接サンプリングから現在のブロックを推定する。方向数の増加は、斜線、輪郭、規則的なテクスチャの記述に役立つ一方で、エンコーダはより多くの候補案に対処しなければならない。フレーム間予測では、複数の参照フレーム、1/4輝度サンプリング精度の運動ベクトル、合成モード、および高度な運動ベクトル予測を使用できる。規格では、これらの情報の表現および復号方法が定義されているが、エンコーダがどの探索アルゴリズムを採用すべきかについては規定していない。

残差変換のブロックサイズは、4×4から32×32まで拡張可能です。大きな変換は変化の緩やかな領域に適しており、小さな変換は細部やエッジに使用されます。量子化は、依然として非可逆圧縮において情報が失われる主な段階です。HEVCでは、エントロピー符号化にCABACを統一して採用しており、H.264におけるCAVLCとCABACの並列選択は維持されていない。ループ処理には、ブロック除去フィルタリングとサンプリングポイントの適応オフセットが含まれる。前者はブロック境界における不連続性を軽減し、後者は再構成サンプリングのカテゴリに応じてオフセットを適用し、特定の量子化誤差を補正する。処理後の画像はデコード画像バッファに入り、その後の予測に使用される。

マルチコア処理やハードウェアパイプラインに対応するため、HEVCではスライス、ブロック、およびウェーブフロントの並列処理が規定されている。ブロックは画像をほぼ独立した矩形領域に分割し、並列デコードや局所アクセスに適している。ウェーブフロントの並列処理により、隣接する符号化ツリー単位の行は、わずかな依存関係を満たした後、インターリーブして開始することができる。並列化の境界設定により、領域をまたぐ予測やコンテキストの継承が一部減少しますが、過度な使用は圧縮効率を低下させる可能性があるため、エンコーダは速度、遅延、エラーの隔離、およびビットレートの間でトレードオフを行う必要があります。

ビットストリームはネットワーク抽象化層の単位で構成され、ビデオパラメータセット、シーケンスパラメータセット、およびフレームパラメータセットを通じてデコード設定が伝達されます。HEVCでは、IDR、BLA、CRAなどのランダムアクセス画像も区別される。これらは、デコードの開始位置、先行画像が引き続き参照として使用可能かどうか、およびオープン画像グループの接続方法について異なる意味を持ち、「キーフレーム」という用語で一概に置き換えることはできない。表示順序はデコード順序と異なる場合もある。

第1版では、Main、Main 10、Main Still Pictureの3つの主要プロファイルが定義されている。Mainは8ビット4:2:0ビデオを対象とし、Main 10は許容ビット深度を10ビットまで拡張し、Main Still Pictureは単一の静止画に使用される。その後の範囲拡張により、より高いビット深度、4:2:2、4:4:4、RGB、フレーム内のみ、およびプロフェッショナル制作に関連する機能が追加され、さらにスケーラブル、マルチビュー、3Dビデオ、画面コンテンツ符号化などの拡張も行われた。ティアは画面サイズ、サンプリングレート、およびバッファリソースを制限する。Main TierとHigh Tierでは、一部のレベルに対して異なる最大ビットレートが規定されています。HEVCが検出されただけでは、その動画が必ずしも10ビット、4K、またはHDRであるとは断定できません。

HEVCは圧縮ビットストリームの規格であり、コンテナではありません。

MP4、QuickTime、Matroska、MPEG-2トランスポートストリーム、M2TSにカプセル化されるほか、裸のビットストリームとして保存することも可能です。コンテナは、サンプリング時間、トラック、音声、字幕、ファイルレベルのメタデータを管理します。映像の色記述やHDRメタデータについては、対応するストリームおよびアプリケーション仕様も関係します。ファイル拡張子をMKVからMP4に変更しても、内部のHEVCエンコード内容が変わることはありません。Ultra HD Blu-rayでは、HEVC Main 10を使用して最大3840×2160、10ビットのメインビデオを伝送しており、放送やストリーミングでも、HEVCを用いて超高解像度やハイダイナミックレンジ（HDR）の番組が伝送されることがよくあります。ただし、HEVC自体は、標準解像度、1080p、8ビット、または標準ダイナミックレンジの映像もエンコード可能です。通常のBlu-rayのBDMV規格はUltra HD Blu-rayのROM4規格とは異なり、前者はAVC、VC-1、MPEG-2 Videoをサポートしており、プレーヤーがHEVCファイルの再生機能を備えているからといって、自動的にUHDディスクに対応するわけではありません。

「同等の画質でビットレートを約半分に削減」というのは、HEVCの設計目標と特定のテスト結果を概括したものであり、すべての素材や設定に当てはまる固定の比率ではありません。解像度、ノイズ、動きの複雑さ、エンコーダの実装、検索深度、速度プリセットなどによって、比較結果は変化します。x265は一般的なHEVCソフトウェアエンコーダーですが、ハードウェアエンコーダーや他のソフトウェアでも規格準拠のビットストリームを生成可能です。実装名称は、符号化規格名としてのH.265 / HEVCに代わるものではありません。