HEVC (H.265) format de compression vidéo - Caractéristiques, performances et applications

1 - Développement

• 1.1 - Contexte
• 1.2 - Historique
• 1.3 - Normes
• 1.4 - Définitions

2 - Rappel des principes de la compression MPEG vidéo

• 2.1 - Compression spatiale
  Figure 3 - Prédiction spatiale [9] Figure 4 - Formule de la DCT [28] Figure 5 - Exemples de dégradations dues à un pas de quantification trop grand (source INA) Tableau 1 Tableau 2
• 2.2 - Compression temporelle de la vidéo
  Figure 6 - Macrobloc de pixels dans l’image précédemment codée (a) identique en position et en valeur au macrobloc dans l’image suivante à coder (b) (image « Big Buck Bunny ») Figure 7 - Macrobloc identique existant dans l’image précédemment codée (a) mais pas à la même position que dans l’image suivante à coder (b) (image « Big Buck Bunny ») Figure 8 - Macrobloc ressemblant retrouvé dans l’image précédemment codée (a) et dont seule la différence avec le macrobloc de l’image à coder (b) est transmise (image « Big Buck Bunny ») Figure 9 - Macrobloc de (b) ressemblant non trouvé dans l’image précédemment codée (a) et donc transmis intégralement (image « Big Buck Bunny ») Figure 10 - Exemple de macrobloc où un suréchantillonnage au ½ pixel sera approprié Figure 11 - Séquence typique MPEG avec un GOP de douze images Tableau 3 Tableau 4
• 2.3 - Codage entropique
  Tableau 5 Tableau 6

3 - Concepts de base du format de compression HEVC

• 3.1 - « Codeur » HEVC/H.265
  Figure 12 - Schéma de principe d’un codeur HEVC/H.265 [11] Figure 13 - Constitution d’un Coding Tree Unit (CTU)
• 3.2 - Unités d’encodage
  Figure 14 - Subdivision des Coding Tree Unit (CTU)
• 3.3 - Subdivision des Coding Tree Unit (CTU)
  Figure 15 - Subdivision en Coding Tree Unit d’une image encodée en HEVC/H.265 (image EBU + analyseur Elecard)
• 3.4 - Subdivision des Coding Unit en Prediction Unit
  Figure 16 - Partitionnements possibles pour une Coding Unit de type Inter [4] Figure 17 - Partitions asymétriques (Samsung/BBC)
• 3.5 - Subdivision des Coding Unit en Transform Unit
  Figure 18 - Formation des Transform Units à partir des Coding Units-Arbre de subdivision successive d’une Coding Tree Unit (CTU) en Prediction Units (PU) puis en Transform Units (TU)

4 - Outils mis en œuvre

• 4.1 - Prédiction Intra-image
  Figure 19 - Prédiction Intra-image (mode n° 29) [10] Figure 20 - Directions de prédiction Intra [10] Figure 21 - Exemple de différents modes de prédiction Intra (image « Basket reel »)
• 4.2 - Prédictions Inter-images
  Figure 22 - Exemple de codage d’un Coding Tree Unit avec prédiction Inter-images (image EBU + analyseur CodecVisa) Figure 23 - Interpolation des échantillons Y de référence [10] Figure 24 - Prédiction avancée du vecteur de mouvement, AMVP (Advanced Motion Vector Prediction  ) Figure 25 - Exemple de mode Merge (image « Basket pass »)
• 4.3 - Calcul de transformée
  Figure 26 - Matrice 32 × 32 pour le calcul de la transformée ; encadré en rouge : matrice 16 × 16 ; encadré en vert : matrice 8 × 8 ; encadré en bleu : matrice 4 × 4 Figure 27 - Exemple de balayage des coefficients sur un bloc de transformée 16 × 16
• 4.4 - Codage entropique : CABAC
  Figure 28 - Exemple de codage arithmétique binaire Figure 29 - Schéma de principe du codeur entropique CABAC [5]
• 4.5 - Filtrage en boucle
  Figure 30 - Filtre de déblocage [TE 5 367] Figure 31 - Effet de bandes (banding  ), dans le ciel, et effet de suroscillation (ringing  ), sur le bord du toit de la maison et du mât
• 4.6 - Traitement parallèle, WPP (Wavefront Parallel Processing  )
  Figure 32 - Dépendances d’un Coding Tree Unit Figure 33 - Wavefront Parallel Processing (Capture d’écran de HEVC Wavefront Animation [http://www.parabolaresearch.com/blog/2013-12-01-hevc-wavefront-animation.html)]

5 - Profils et niveaux

• 5.1 - Profils
  Figure 34 - Codage « scalable » Tableau 7
• 5.2 - Niveaux (levels  )
  Tableau 8 Tableau 9
• 5.3 - Tiers

6 - Performances

• 6.1 - Efficacité
  Figure 35 - Rapport signal crête-sur-bruit (PSNR) d’une séquence type « sport » en vidéo HD 1920 ×1080i/25, entrelacé à 25 images/s (image EBU) (INA) Figure 36 - Rapport signal crête-sur-bruit (PSNR) d’une séquence type « émission de plateau » en vidéo HD 1920 × 1080i/25, entrelacé à 25 images/s (INA) Figure 37 - Rapport signal crête-sur-bruit (PSNR) d’une séquence type « fiction » en vidéo HD 1920 × 1080p/25, progressif à 25 images/s (image « Tears of steel ») (INA) Figure 38 - Rapport signal crête-sur-bruit (PSNR) d’une séquence type « dessin animé » en vidéo HD 1920 × 1080p/25, progressif à 25 images/s (image « Big Buck Bunny ») (INA)
• 6.2 - Puissance de calcul
  Figure 39 - Nombre de modes de traitement possibles suivant les générations d’encodaga (Elemental) Figure 40 - Exemple de rapport entre le temps d’encodage et le poids du fichier résultant (à quantification constante) pour une vidéo HD en entrelacé 1920 × 1080i/25 (image EBU) (INA) Figure 41 - Exemple de rapport entre le temps d’encodage et le poids du fichier résultant (à quantification constante) pour une vidéo HD en progressif 1920 × 1080p/24 (image « Big Buck Bunny ») (INA)
• 6.3 - Compression sans perte
• 6.4 - Formats-conteneurs de HEVC/H.265

7 - Applications et perspectives

• 7.1 - Distribution des contenus audiovisuels
• 7.2 - Production audiovisuelle
• 7.3 - Décodeurs
• 7.4 - Licences
• 7.5 - Concurrence
  Figure 42 - Mesures de rapport signal crête-sur-bruit (PSNR) sur des fichiers codés en VP9, en X265 (template veryslow  ) et X264 (template very slow  ) (images « Big Buck Bunny », EBU et INA) (INA) Figure 43 - Exemple de décomposition possible d’une « lapped transform » avec des filtres de prétraitement P au codage et de posttraitement P–1 au décodage, s’appliquant sur les frontières entre les blocs (xiph.org) [30] Figure 44 - Mesures de rapport signal crête-sur-bruit (PSNR) sur des fichiers codés en Daala et X265 (xiph.org) et (https://arewecompressedyet.com/ subset1) Figure 45 - Comparaison des compressions entre X265 et Daala (https://people.xiph.org/~xiphmont/demo/daala/update1-tool2b.shtml « Bath from Alexandra Park »)

8 - Conclusion

9 - Glossaire et acronyme