HEVC (H.265)와 H.264 (MPEG-4 AVC)의 차이점

H.265는 H.264 (MPEG-4 AVC)의 후속 표준으로, 대역폭, 스펙트럼, 스토리지 부족 및 멀티 플랫폼 제공을 위한 HD 컨텐츠 증가에 대한 업계의 이슈를 고려할때 엄청난 긍정적인 효과를 기대했습니다. HEVC는 2013년 1월에 ITU-T의 승인을 받았으며 가장 많이 논의된 방송 동향중 하나였으며 NAB 및 IBC의 핵심 기술 제공 업체 및 제품 공급 업체 및 서비스 제공 업체가 HEVC 솔루션을 내놓으면서 소중한 4K 경험을 실현했습니다.

오늘날 H.264는 콘텐츠 압축 및 배포를 위해 온라인 및 방송 도메인에서 가장 널리 채택된 형식입니다. HEVC (High Efficiency Video Coding)는 새로운 비디오 코딩 표준으로 비슷한 품질의 H.264 인코딩된 콘텐츠 (HEVC MP 및 H.264 HP와 유사한 fps)보다 40-45%로 대역폭을 대폭 절감할 수 있습니다. 또한 HEVC는 다음을 포함한 다른 영역에 큰 영향을 줄 수 있습니다.

▲ 큰 가격 차이와 UHD 컨텐츠 부재로 인해 크게 제한된 4K 스크린의 수요와 판매를 가속화됩니다.

▲ 방송사 및 OTT 공급 업체가 기존 전송 매체에 더 많은 채널/콘텐츠를 묶을 수 있도록 비트 전송률 요구 사항이 감소하여 큰 기회를 제공합니다.

▲ 동일한 비트 전송률에서 H.264로 인코딩된 시퀀스와 비교하여 훨씬 더 우수한 비디오 품질 경험을 제공합니다.

▲ 대역폭이 제한된 모바일 네트워크에 고품질 비디오를 제공하는 기능을 제공합니다.

▲ 차별화된 프리미엄 4K 컨텐츠, 멀티뷰 인코딩 등을 실현시킬 수 있습니다.

HEVC가 동일한 비트 전송률로 더 많은 양질의 콘텐츠를 제공하는 콘텐츠 제작자, 상품 제공 웹사이트, 배급업자 및 소비자에게 잇점을 가져다 줄 수 있지만 채택에는 아직도 장애물이 있습니다.

1. 업계의 채택으로 인해 투자가 크게 늘어나고 SD - HD 마이그레이션을 위한 H.264 장비에 막대한 비용이 들었습니다. 또다시 막대한 비용을 투자하기에는 시간이 걸릴 것입니다. 배포에는 HEVC 하드웨어 디코더가 내장된 업그레이드, 워크플로 개편, 미디어 플레이어 (STB, 게임 콘솔 등) 재배포 및 H.264에서 HEVC로의 거대한 컨텐츠 라이브러리 마이그레이션이 필요합니다.

2. CE 플레이어 외에도 플레이어, 브라우저, 모바일 및 PC 운영 체제의 주요 기술 업체 (Google, Adobe, Apple, Microsoft, Sony 등)의 지원이 필요합니다.

3. 전력 효율적이고 실시간 인코더/디코더를 구현할 수 있는 시간 및 신뢰성 수준의 실리콘에서 저렴한 HEVC 기술의 이용 가능성은 획기적인 확산을 가져다줄 것입니다.

HEVC의 비용 : 2개의 HEVC 특허 풀인 HEVC Advance 및 MPEG LA로 인해 HEVC의 채택 비용은 이전의 H.264보다 대략 16배 더 비쌉니다. 흥미롭게도 소니, 파나소닉, 퀄컴, 노키아, 브로드컴 등 다수의 특허가 여전히 현재의 2개 풀의 일부는 아닙니다.

HEVC에 대한 높은 기대치가 있지만, 역사적으로 표준이 주류가 되기까지 6-10년이 걸립니다. 아래의 사항들에 따라 그 기간이 줄어들 수도 있습니다.

1. 더 큰 화면 해상도는 fps의 증가를 고려해야 하고 HEVC가 현실적으로 달성할 수 있는 전체 효율성 절감 효과를 고려할때 현재 24-30 fps보다 높은 60-120 fps의 프레임 속도가 필요합니다.

2. 대역폭 네트워크의 상태, 멀티 스크린 전송과 결합된 비디오의 성장, UHD 컨텐츠의 부재를 감안할때 기존의 SD/HD 컨텐츠를 효율적인 비트 전송률로 인코딩하면 차라리 4K가 아닌 HEVC의 비즈니스 사례가 될 가능성이 커질 수도 있습니다.

3. 과도기적으로 HEVC를 수용할 수 있는 부문별 서비스가 모바일 비디오 서비스, OTT 플레이어 등 다른 모든 서비스보다 더 빨리 수용될 수 있을 것인지도 하나의 관건이 되겠습니다.

	H.264	H.265
명칭	MPEG 4 Part 10 AVC (2004년 소개)	MPEG-H, HEVC, Part 2 (2013년에 승인)
산업계 동향	지상파, 케이블, 위성 및 IPTV 방송을 위한 비디오 코덱. (ATSC / DVB / ISDB) Blu-Ray, 보안 시스템, 화상 회의, 모바일 비디오, 미디어 플레이어, 화상 채팅 등에 널리 사용됨.	ATEME, Broadcom, Thomson, Harmonic (Cisco), Ericsson, Qualcomm 등의 회사에서 2012년 시작되는 NAB, IBC 및 기타 이벤트 전반에 걸친 시연. 소프트웨어 및 하드웨어 기반 솔루션을 위한 인코더 / 디코더 / CE 공급 업체 전반에 걸친 개발 증가
핵심 개선점	- MPEG-2에 비해 40-50%의 비트 전송률 감소 - 방송 및 온라인 HD 콘텐츠 전달의 성장 주도	- H.264에 비해 동일한 화질로 비트율을 40~50% 감소. - 방송 및 온라인 (OTT)을위한 UHD, 2K, 4K 실현 잠재력
연관 규격	MPEG-2 부분의 후속편	MPEG 4 AVC, H.264의 후속편
압축 방식	하이브리드 시공간 예측 모델 - 매크로 블록 (MB)의 유연한 파티션, 모션 추정을 위한 서브 MB - 인트라 예측 (예측을 위해 이미 디코딩된 이웃 픽셀을 외삽 법으로 추정) - 다중보기 확장 기능 도입 ( 인트라 예측을 위한 9 방향 모드) - 매크로 블록 구조 (최대 16x16 크기) - 엔트로피 코딩은 CABAC 및 CAVLC임	향상된 하이브리드 시공간 예측 모델 - 유연한 파티셔닝, 코딩 트리 유닛 도입 (코딩, 예측 및 변환 유닛 -CU, PU, TU) - 인트라 예측을위한 35 방향 모드 - 탁월한 병렬 처리 아키텍처, 멀티 뷰 코딩 확장의 향상된 기능 -보다 가변적인 서브 파티션 구조를 가진 보다 큰 블록 구조 (64x64)를 지원하는 CTU - 엔트로피 코딩은 CABAC만
사양	- 최대 4K 지원 (4,096 × 2,304) - 59.94 fps까지 지원 - 21개의 프로파일; 17 레벨	- 최대 8K UHDTV (8192 × 4320) - 최대 300fps 지원 - 3개의 승인된 프로파일, 추가로 5개의 초안; 13 레벨
단점	높은 비트 전송률 요구 사항으로 인해 UHD 컨텐츠 전송에 비현실적. 프레임 속도 지원은 59.94로 제한됨.	더 큰 예측 단위와 값비싼 동작 추정 (Inter-prediction에서 비대칭 파티션, 더 많은 노드를 갖는 Intra 예측)으로 인해 계산 비용이 비쌈 (~ 300 % +).

HEVC (High Efficiency Video Coding : H.265) 개요

H.265/High Efficiency Video Coding (HEVC)는 ISO/IEC Moving Picture Experts Group과 ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG)이 공동으로 개발한 H.264 의 후속 코덱입니다. 새로운 코덱의 주된 목표는 H.264보다 50% 향상된 압축 효율이며 최대 8192x4320의 해상도를 지원합니다.

HEVC 기술 배경

배경으로 ITU-T는 2004년에 H.264의 후속 버전을 개발하기 시작했으며 ISO/IEC는 2007년에 작업을 시작했습니다. 2010년 1월에 공동 작업한 공동 제안서가 MPEG 및 VCEG Joint Collaborative Team on Video Coding (JCT-VC)의 모임에서 완료되었고, 2010년 4월에 HEVC (High Efficiency Video Coding)라는 이름이 코덱에 채택되었습니다.

2010년 10월 JCT-VC는 2012년 7월에 승인된 8가지 작업 초안 규격을 기반으로 초안 표준을 사용하여 첫번째 작업 초안 규격을 작성했습니다. 2013년 1월 25일 ITU는 HEVC가 ITU-T Alternative Approval Process에서 첫번째 단계 승인 (동의)을 발표했습니다. 반면 MPEG은 HEVC가 MPEG 표준화 과정에서 FDIS (Final Draft International Standard) 상태로 승격되었다고 발표했습니다.

본질적으로 이는 여러 공급 업체가 첫 번째 HEVC 제품을 마무리할 수 있도록 초기 버전의 사양이 확정되었음을 의미합니다. 현재 구현에는 비디오 "인트라 (intra)"비디오와 동일한 코딩 도구를 사용하는 8비트 4:2:0 비디오을 지원하는 메인 프로필, 10비트 지원 Main 10 프로필 및 스틸 디지털 그림을 위한 메인 스틸 픽처 (Main Still Picture) 프로필을 포함됩니다.

HEVC는 이미 12 비트 비디오 및 4:2:2 및 4:4:4 크로마 포맷의 확장을 시작으로 확장 가능한 비디오 코딩 및 3D 비디오를 사양에 통합하면서 계속 발전할 것입니다.

HEVC (H.265) 작동 방식

H.264 및 MPEG-2와 마찬가지로 HEVC는 프레임간 및 프레임내 압축 요소를 모두 포함하는 I, B 및 P 프레임의 3가지 프레임 유형을 사용합니다. HEVC는 다음과 같은 수많은 기술들을 가지고 있습니다.

▲ 코딩 트리 블록 (Coding Tree Block) : H.264가 최대 크기가 16x16인 매크로 블록을 사용하는 반면, HEVC는 최대 64x64 픽셀 크기의 코딩 트리 블록 (CTB)을 사용합니다. 블록 크기가 클수록 4K 해상도와 같이 더 큰 프레임 크기를 인코딩할 때 더 효율적입니다 (그림1 참조).

그림1. 블록 크기가 클수록 인코딩 효율이 향상됩니다. Elemental Technologies의 HEVC 웹비나 이미지.

▲ 더 많은 인트라 예측 방향 (More intra-prediction direction) : H.264가 9개의 인트라 예측 방향 (Intra Prediction Direction)을 사용하는 반면, HEVC는 35개 이상을 사용하여 더 효율적인 인트라 프레임 압축을 제공하는 잠재적인 참조 픽셀 블록 (Potential Reference Pixel Block)을 추가할 수 있습니다 (그림2, Ateme 프레젠테이션 참조). 물론 검색하는데 추가적인 인코딩 시간이 필요합니다.

그림2. 검색이 확장되어 더 많은 참조 픽셀 블록을 찾습니다.

다른 진보된 기술도 포함됩니다.

▲ 적응형 모션 벡터 예측 (Adaptive Motion Vector Prediction) : 코덱이 더 많은 프레임간 중복을 찾을 수 있게 합니다.

▲ 멀티 코어 환경에서보다 효율적인 인코딩을 위한 Wavefront 병렬 처리 포함하는 우수한 병렬 처리 도구.

▲ 엔트로피 코딩 (Entropy Coding)은 더이상 CAVLC가 아닌 CABAC 전용입니다.

▲ 디블로킹 필터 (Deblocking Filter) 향상 및 샘플 가장자리 오프셋을 통해 아티팩트 (Artifact)를 더욱 제한하는 Sample Adaptive Offset이라는 두번째 필터 생성

HEVC (H.265) 결과

HEVC와 H.264 및 MPEG-2의 품질을 비교하는데 초점을 맞춘 수많은 백서와 프레젠테이션이 있습니다. 가장 자주 인용 소스중 하나는 제목의 기사입니다 "비디오의 코딩 효율성의 비교 표준을 포함 고효율 비디오 코딩 (HEVC) 코딩 : Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards-Including High Efficiency Video Coding (HEVC)"인데, 모두 PSNR (최대 신호 대 잡음비 : Peak Signal to Noise Ratio)의 비교와 주관적인 평가의 결과에 대한 내용입니다. 이 보고서는 대화형 및 엔터테인먼트 애플리케이션을 포함한 여러 시나리오를 검토했습니다.

엔터테인먼트 관련 비교를 위해 이 연구에서는 832x480 (480p)에서 1920x1080 (1080p) 해상도의 여러 클립을 인코딩했습니다. PSNR 관련 테스트의 경우 모든 파일의 PSNR 값이 같아질 때까지 HEVC, H.264, MPEG-4 및 H.263의 네가지 기술을 사용하여 파일을 인코딩했습니다.

표1. 엔터테인먼트 애플리케이션에서 PSNR 값을 사용하는 H.264, H.263 및 MPEG-4와 비교된 HEVC 효율성.

이 연구는 시청자에게 H.264 및 HEVC로 여러 데이터 속도로 인코딩된 여러 파일을 보여주고 결과 등급을 매기도록 요청했습니다. 이들 시험에서, 연구자들은 "H.264/MPEG-4 AVC HP 인코딩보다 평균적으로 53퍼센트보다 낮은 비트 레이트의 HEVC으로 인코딩된 테스트 결과, 거의 동일한 주관적 품질을 달성"한다고 결론지었습니다.

PSNR과 주관적인 비교를 모두 사용하여 H.264 및 HEVC를 비교한 또 다른 기사인 "다가오는 HEVC 비디오 압축 표준의 주관적 품질 평가 : Subjective Quality Evaluation of the Upcoming HEVC Video Compression Standard"에서

AVC와 비교 시험 결과는 압축 성능에서 상당한 개선을 보여줍니다. PSNR 값에 기초한 예측된 비트 레이트 감소 (Bit Rate Reduction)는 28~38 퍼센트이었지만 주관적 결과에 기초하여 51~74 퍼센트까지 범위의 비트 레이트 감소를 이룰 수 있습니다. 이 차이는 주로 PSNR이 인간 시각 시스템의 채도 효과 (Saturation Effect)를 고려하지 않기 때문에 발생합니다. PSNR은 또한 아티팩트 (Artifact)의 모든 특성을 나타내지는 못합니다. HEVC 압축은 콘텐츠를 부드럽게하는 경향이 있는 반면 AVC 압축 시퀀스는 뭉퉁하게 보여줍니다. 이 연구에서 고려한 합성 콘텐츠의 경우 주관적인 결과를 기준으로 75%의 비트 전송률 감소를 달성할 수 있었지만 PSNR 값을 기반으로 한 예측 감소율은 68%였습니다.

비교 결과는 판매용으로 또는 대부분의 경우 범용 베타 테스트용으로 출시되지 않은 인코더를 사용하여 HEVC에 기여한 기술자에 의해 행해졌기 때문에 그러한 결과에 대해 회의적일 수는 있습니다. 익명성의 조건에서 말하자면 주요 인코딩 업체의 한 CTO는 HEVC가 1080p 해상도에서 동일한 품질 수준으로 파일 크기를 30% 줄이고 더 높은 해상도에서 추가로 증가시킬 수 있다고 예측했습니다.