H.264 vs 新兴编码：谁才是视频王者？
H.264 vs 新兴编码：谁才是视频王者？
随着视频流媒体需求的不断增长，视频编解码技术成为热门话题。H.264作为目前最广泛应用的视频编码格式之一，其高效的数据压缩比和网络传输优势备受关注。然而，新兴的编码标准如HEVC、VP9和AV1正逐渐挑战它的地位。这些新标准是否能取代H.264，成为新的视频编码王者？让我们一起来探讨它们各自的优缺点以及应用场景，看看未来视频编码技术的发展趋势。
H.264：成熟稳定的技术基石
H.264，又称为AVC（Advanced Video Coding），是一种广泛使用的视频压缩标准。它由国际电信联盟（ITU）和国际标准化组织（ISO）联合开发，并于2003年发布。H.264采用了一种先进的编码算法，能够以更高的压缩率提供更好的视频质量。它使用了许多创新的技术来实现高效的压缩，包括帧内预测、运动估计与补偿、变尺寸变换以及熵编码等技术。
H.264的发展历史可以追溯到上个世纪90年代。当时，视频压缩技术的主要标准是MPEG-2，但它在压缩率和视频质量方面存在限制。为了进一步提高视频压缩效率，开发人员开始研究新的压缩标准，这些努力导致了H.263和H.264的开发。H.264不仅在技术上实现了突破，更重要的是，它建立了广泛的产业生态，从硬件支持到软件应用，从消费电子到工业监控，几乎涵盖了所有视频相关领域。
新兴编码标准：技术革新带来新选择
AV1：开源免费的高效编码标准
开放媒体联盟（Alliance for Open Media）成立于2015年，由亚马逊、谷歌、Meta等几大科技公司联合发起。由于HEVC在许可方面的不确定性和成本的不断增加，其目的是创建下一代免版税的编解码器，AOMedia Video 1（AV1）由此诞生，最初于2018年推出。
AV1在技术上实现了重大突破，其压缩效率比VP9高出30%，在相同视频质量下，文件大小更小，比特率更低。AV1的这些优势主要得益于其先进的预测模式和分区技术。AV1将超级块大小从VP9的64×64增加到128×128，并提供了更多的分割选项，从而提高了灵活性和压缩效率。此外，AV1还支持高动态范围（HDR）和宽色域（WCG），能够提供更鲜艳逼真的色彩。
然而，AV1也面临一些挑战。由于其复杂的编码算法，AV1的编码速度比VP9慢，这使得它在实时视频流应用中不太适用。此外，AV1的硬件支持目前还相对有限，尽管主要科技公司都在积极推动其普及，但要达到H.264那样的广泛支持还需要时间。
VP9：Google推动的免版税标准
VP9是由Google开发的一种免版税的先进视频编解码器，于2013年6月发布。其设计目的是在保持视频质量的同时，将比特率比其前身VP8降低50%，并与H.265/HEVC等其他编解码器竞争。自发布以来，VP9已在各种应用中得到广泛采用，包括YouTube和Netflix等在线视频流平台以及用于实时通信应用的WebRTC。
VP9的主要优势在于其广泛的硬件支持和良好的兼容性。目前，全球已有超过20亿台设备支持VP9，包括Chrome、Opera、Edge、Firefox等主流浏览器，以及Android和iOS等移动平台。此外，VP9在编码速度上也优于AV1，更适合实时视频流应用。
然而，与AV1相比，VP9的压缩效率略低，这意味着在相同视频质量下，VP9需要更高的比特率。此外，VP9对HDR的支持不如AV1完善，这可能会影响其在高端视频市场的竞争力。
HEVC（H.265）：更高的压缩效率
HEVC（High Efficiency Video Coding），也称为H.265，是由ITU和ISO联合开发的视频编码标准，于2013年发布。HEVC的主要目标是提供比H.264更高的压缩效率，同时保持或提高视频质量。与H.264相比，HEVC可以将比特率降低约50%，这对于4K和8K等超高清视频的传输尤为重要。
HEVC的高效率主要来自于其先进的编码技术，包括更大的编码单元（最大可达64×64）、更精细的运动矢量预测和更有效的熵编码。此外，HEVC还支持HDR和WCG，能够提供更好的视觉体验。
然而，HEVC的专利问题一直是其推广的主要障碍。多个专利持有者对HEVC的使用收取高额费用，这使得一些公司转向免版税的AV1和VP9。此外，HEVC的复杂性也导致了较高的计算需求，这可能会影响其在低端设备上的应用。
市场竞争与发展趋势
根据市场研究报告，2023年全球视频编解码器市场规模达到147.8亿美元，并预计到2028年将增长至269.3亿美元，复合年增长率（CAGR）为12.5%。中国视频编解码器市场规模同样呈现出快速增长的态势，2023年市场容量为95亿元，预计在未来几年将持续增长。
在产品类型方面，高级视频编码（AVC）等技术在市场上占有重要地位。随着技术的不断发展，新的编码标准如AV1、VP9、VVC等也逐渐崭露头角，但它们的市场占有率目前可能还无法与AVC相媲美。目前，一些知名品牌如Hikvision、Cisco Systems、Dahua、Axis Communications和Harmonic等，在视频编解码器领域占有重要地位。国内企业如科达、海康威视等，通过自主研发和技术创新，成功打破了国外企业的技术垄断，推出了具有自主知识产权的视频编解码器产品。这些产品在国内市场上具有较强的竞争力，并占据了一定的市场份额。
未来展望：AI驱动的视频语义编码
随着5G和人工智能技术的发展，视频编码技术迎来了新的机遇。同时，新型视频内容（VR视频、全景视频、自由视点视频等）相继涌现，给数据的存储和传输带来了全新挑战。新机遇带来新挑战，从而引发新型技术需求。在此背景下，视频语义编码技术将基于视频内容和语义特征进行编码，同时追求信号保真度、感知自然性和语义质量，有望突破传统视频编码方法的性能瓶颈，成为助推视频产业高质量发展的新动能。
视频语义编码技术可直接集成应用于现有编码框架，其技术应用及产业链示意图见图3。目前，较为成熟的解决方案是以AI作为工具辅助编码，或在编码前进行分析预处理，比如画质增强，超分插帧，特征提取等；或在编码环节提供语义先验信息以优化编码性能，比如基于恰可察觉失真和感兴趣区域的码率控制优化，编码参数自适应选择等。未来，随着AI编码技术的不断成熟，端到端的视频语义编码架构将是未来演进方向。
结语
H.264凭借其成熟的技术和广泛的生态系统，在短期内仍将占据重要地位。然而，随着4K/8K超高清视频、VR/AR等新兴应用的兴起，对视频编码技术提出了更高的要求。AV1、VP9和HEVC等新标准各有优劣，它们将在不同应用场景中发挥重要作用。从长远来看，AI驱动的视频语义编码技术有望成为下一代视频编码的主流，为视频产业带来革命性的变化。