超能课堂(339) H.264、H.265、H.266、VP9和AV1视频编码标准对比

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在现代数字媒体领域，视频内容以前所未有的速度增长，对高效视频压缩技术的需求也日益迫切。无论是流媒体服务、视频会议，还是个人视频录制，高质量的视频体验都离不开先进的 视频编码技术，它们通过高效地压缩和解压缩视频内容，实现了视频数据在存储、传输和播放过程中的高效管理。

视频编码的目标是在尽可能保持视频质量的同时，最大限度地减小文件大小或降低比特率。随着视频分辨率从高清(HD)向超高清(4K, 8K)迁移，高动态范围(HDR)和宽色域(WCG)技术的普及，以及互联网视频流量的持续爆炸式增长，业界对视频压缩效率提出了越来越高的要求。更高的压缩效率意味着在有限的带宽或存储空间下，能够传输或存储更高质量的视频内容，或者在同等质量下显著降低数据量，从而改善用户体验、降低运营成本。

现在主流的五种分别是H.264(AVC)、H.265(HEVC)、H.266(VVC)、VP9和AV1，解下来我们将简要介绍它们各自的特点，并重点对比它们在关键方面的差异，好让大家更好的认识最新的视频编码 标准。


H.264/AVC：奠基性的标准

H.264，又称AVC(Advanced Video Coding)或MPEG-4 Part 10AVC，是一种被广泛使用的视频压缩标准，它是由ITU-T和ISO/IEC联合开发，自2003年左右发布以来，H.264凭借其良好的压缩效率和前所未有的兼容性，成为了过去十多年来视频领域事实上的标准，它早已存在于等几乎所有涉及视频压缩的领域，是蓝光光盘、许多流媒体服务、数字广播和视频会议的基础。

开发H.264/AVC的主要目标是在不过度增加设计复杂性的前提下，提供比先前标准更高的压缩效率，目标是达到同等质量下比特率减半或更低。这一目标的实现，极大地推动了数字视频在各种带宽受限环境下的应用，H.264可以说是视频编码技术发展的一个重要里程碑。

H.264的优势在于拥有无与伦比的兼容性，几乎所有设备和平台都支持，拥有极其成熟的生态系统。而且它对于标清(480p)和高清(720p)分辨率的视频仍有不错的压缩性能。相较于其后继者，它的计算复杂度相对较低。

而缺点就是与后继者相比，压缩效率较低，尤其是在处理4K及以上辨率的视频时，以及对于HDR和宽色域内容的支持不如后继者。


H.265/HEVC：效率提升与4K赋能

H.265/HEVC(High Efficiency Video Coding)作为H.264的直接后继者，采用更先进的编码技术，如自适应块大小编码、更精确的运动补偿等，于2013年发布。它的目标是在H.264的基础上，将压缩效率提高约一倍，即在保持同等主观视频质量的前提下，比特率降低35~50%。这一效率提升对于在有限带宽下传输4K、8K视频以及HDR内容至关重要。

HEVC压缩效率比H.264显著提高，它支持10位色深，对HDR内容支持良好，目前主流的4K流媒体服务大量采用HEVC，它也是超高清蓝光(4K Ultra HD Blu-ray)的强制性视频编码标准。新一代数字电视广播标准，如ATSC 3.0和DVB的部分规范，采用HEVC来传输4K内容硬件兼容性方面。许多现代智能手机，特别是苹果设备，使用HEVC作为默认的视频录制格式以节省存储空间，此外它在卫星通信、高效视频监控等领域也有应用。

HEVC的硬件解码支持已相当普及，存在于自2015年左右起的大多数设备中，而硬件编码支持虽然不如解码普及，但也存在于较新的CPU/GPU和SoC中。

但相较于H.264，HEVC在编码和解码过程中需要更多的处理能力，再加上HEVC对于老硬件系统的兼容性不如H.264广泛，这导致了导致HEVC在较旧的硬件上处理速度较慢。此外H.265复杂的专利许可模式，存在多个专利池，导致成本高昂且不确定，阻碍了其在Web和开源领域的广泛应用。


H.266/VVC：挑战压缩极限

H.266/VCC(Versatile Video Coding)是H.265/HEVC的继任者，该标准于2020年7月最终确定，它的主要目标有两个：一是相比HEVC实现更高的压缩性能，目标是在同等感知质量下比特率再降低30~50%；二是提供更强的通用性，以支持更广泛的应用场景，包括超高清视频4K、8K甚至16K、高动态范围(HDR)、360度VR视频、屏幕内容编码以及自适应流媒体等。

VCC引入了QTMT(四叉树加多类型树)划分、仿射运动补偿、几何划分模式(GPM)等高级工具，支持高达16K分辨率和HDR/WCG等新特性，理论压缩效率比HEVC提升30~50%，是目前已标准化编码压缩率最高的，使得它尤其适合超高清内容。目标应用领域包括下一代超高清电视广播、高质量视频流媒体、沉浸式VR/AR体验、高效视频会议和屏幕共享等。

然而VCC拥有极高的计算复杂度，特别是编码端，对硬件要求苛刻，目前VVC的生态系统仍处于非常早期的阶段，在PC上只有Intel的酷睿Ultra 200V Lunar Lake处理器支持VVC硬件解码，现在最新的独显都不支持。而专用的解码器方案则有芯原的Hantro VC9000D和阿里巴巴的Ali266。软件生态系统也远未成熟，缺乏广泛支持。此外VCC的专利许可模式虽有改进但仍存在不确定性，且可能成本高昂。


VP9：Google的免版税方案

VP9由Google主导开发，作为其WebM开源项目的一部分，于2013年发布。旨在提供一种与HEVC效率相当但开放、免版税的选择，以应对HEVC的许可问题，并在YouTube等网络平台上大规模应用。

VP9是VP8的继任者，采用了帧间和帧内预测、变换编码、运动补偿等技术，设计目标是将VP8的压缩效率提高50%，并在保持相似视频质量的同时，实现优于HEVC的压缩效率。而实际上VP9的压缩效率通常被认为与HEVC相当，根据一些对比测试表明，在较高比特率下HEVC可能略有优势，而在较低比特率下VP9可能表现更好，并且相较于HEVC，其CPU消耗更低。

VP9免版税和开源特性，为那些在Web视频领域寻求免版税解决方案和良好高分辨率压缩的用户提供了一个引人注目的替代方案，优于需要付费许可的H.264和HEVC。而且拥有良好的生态支持，现在主流Web浏览器和各种硬件平台都支持VP9，当然了相比与解码，支持VP9硬件编码就相对较少。

但由于VP9更复杂的算法，VP9的编码速度通常比H.264慢，有时也比HEVC慢，于编码时间较长，VP9可能引入更多的延迟，使其不如H.264那么适合实时应用。此外在硬件支持程度没H.264那么普及，硬件编码的支持也没HEVC那么好，在低比特率下，VP9的编码质量可能不如HEVC，但在高比特率下可以与之匹敌甚至超越。目前VP9正在逐渐被其后继者AV1所取代。


AV1：开放媒体联盟的标准

AV1在2018年正式发布，它是由开放媒体联盟(AOMedia)开发，该联盟成员包括 Google、Mozilla、微软、亚马逊、Netflix、苹果等行业巨头，整合了来自成员公司先前各自的实验性项目,如Google的VP10、Mozilla的Daala、Cisco的Thor等技术积累和代码库，目标是创建性能超越HEVC和VP9、完全免版税的下一代编解码器，专为互联网 应用优化。

AV1使用了更复杂的块划分、运动补偿等技术，它在目前广泛部署的编解码器中提供最佳的压缩效率，同等质量下平均比HEVC/VP9的码率小30%，AV1在处理4K/8K高分辨率和高动态范围内容时尤其高效，压缩效率仅次于VVC。

完全开放、免版税是AV1的核心优势，此外它活动了行业强大的支持，生态系统尤其是硬件解码方面发展迅速，现在有不少较新的硬件和软件都支持AV1，NVIDIA RTX30系以上、除Navi 24外的AMD RX 6000系以上、Intel Xe架构独显/核显都支持AV1的解码，手机SoC则包括苹果A17 Pro、M3、M4及更新芯片，联发科的天玑系列，三星Exynos 2100/2200及更新芯片，高通的第二代骁龙8移动平台后引入了AV1解码。

相比与解码的支持，硬件编码的支持出现得比较晚，GPU是自NVIDIA RTX 40系、AMD RX 7000系以及Intel Arc独显开始引入AV1编码的，在这方面相对于H.264和HEVC要差得远。由于AV1的计算复杂度要高于H.264、HEVC、VP9，在缺乏硬件加速旧硬件上会消耗大量CPU资源进行编码或解码。

接下来我们将压缩效率、图像质量、计算复杂度、生态系统成熟度和许可模式五个点对H.264/AVC、H.265/HEVC、H.266/VVC、VP9和AV1进行横向比较。


压缩效率对比

从H.264到HEVC/VP9，再到AV1，最终到VVC，每一代视频编码都带来了显著的压缩效率提升。目前普遍认为的压缩效率排序为：VVC > AV1 > HEVC ≈ VP9 > AVC。

以上数据来源是MDPI上的报告，以上数据均是大约数，实际结果会因为内容、分辨率和码率而异。

以H.264作为参照基准，H.265/HEVC在4K与8K分辨率下可将比特率降低约44~53%，而VP9的压缩率和HEVC接近，这意味着在相同视频质量下，它们可比H.264节约一半的带宽 ，但在FHD分辨率下就只能降低26%。

AV1相比于HEVC压缩率进一步提升20~26%，和H.264相比在FHD分辨率下可节约43%的带宽，在4K/8K分辨率下可节约61~63%的带宽，在加上开源和免版税，这也是为什么现在大量流媒体平台都转向支持AV1的重要原因。

H.266/VCC对比HEVC进一步把压缩效率提升50~59%，对比AV1也有38~46%的提升，压缩率是最高的，但目前它是生态还不成熟，还需时间去发展。


图像质量能力

除了压缩效率，视频编码对高级图像特性的支持能力也至关重要，尤其是随着现在HDR、宽色域等技术逐步推广的情况下，支持新的图像特性能带来更好的视觉体验。

比特深度：

H.264/AVC：Main Profile支持8bit，扩展文件最高可到14bit。

H.265/HEVC：第一版标准支持8~10bit，第二版的扩展配置文件最高可支持16bit。

VP9：支持8/10/12bit。

AV1：支持8/10/12bit。

H.265/VVC：支持8到16bit。

HEVC、VP9、AV1、VVC这些比较新的编码普遍原生支持10bit，这与HDR视频的兴起密切相关。8bit难以在宽广的动态范围和色域下精确表示色彩和亮度过渡，容易出现可见的色带。而10bit提供了足够的精度来平滑地呈现HDR内容，因此成为了高质量HDR分发的实际最低要求。

色度采样决定色度信息的采样率。4:2:0是最常见的格式，在保证可接受质量的同时节省带宽。4:2:2和4:4:4提供更高的色彩保真度，适用于专业制作和高质量归档。H.264和H.265都是原生支持4:2:0，后续扩展支持4:2:2和4:4:4，而P9、AV1和VVC都是原生支持4:2:0，4:2:2和4:4:4。

HDR与宽色域支持：HEVC、VP9、AV1和VVC都明确设计用于支持现代HDR标准和宽色域空间，而H.264对HDR的支持则较为有限且非标准化。

至于主官的视觉观感质量，更新的视频编码通常能提供更好的视觉质量，这不仅得益于更高的压缩效率，也归功于更先进的预测技术和环路滤波工具，它们能更有效地抑制块效应、振铃等编码失真，AV1的胶片颗粒合成技术还能在低码率下还原特定内容的质感。


计算复杂度

计算复杂度是衡量编解码器所需处理资源的指标，直接影响编码速度、解码流畅度、设备功耗和应用延迟。更高的复杂度带来了更高的压缩效率，但也意味着需要更强大的硬件支持以及更高的功耗，并可能增加实时应用的延迟，无论编码还是解码，排序基本都是VVC > AV1 > HEVC ≈ VP9 > AVC。

根据WOWZA的数据，VP9和HEVC的编码复杂度可能是H.264的2到15倍，而AV1与VVC的编码复杂度则是HEVC的10倍甚至更高。目前AV1和VVC的编码复杂度使得它们更适合在线视频点播的场景，特别是现在基本没硬件支持VVC硬件编码的情况，使得它们不太适合需要实时编码的直播场景。

至于解码方面，复杂度就没编码差异那么大，VP9和HEVC的解码复杂度略高于H.264，而AV1则略高于HEVC，至于VVC的解码复杂度约为HEVC的1.5到2倍。对于HEVC及更新的视频编码，硬件解码的支持与否对于低功耗移动设备上实现流畅播放以及提升续航是相当重要的，目前手机SoC对HEVC和VP9的硬件解码支持还是比较全面的，较新的SoC也支持AV1的解码，VVC由于比较新所以支持的比较少。


生态系统成熟度

生态系统的成熟度，包括硬件支持、软件兼容性和工具链完善程度，直接决定了编解码器的实际可用性。另外从标准制定完成到实现广泛的硬件支持并最终在市场普及，通常存在数年的时间滞后。例如VVC在在2020年完成标准制定，但到2024年底才开始出现支持其硬件解码的消费级PC芯片。

H.264/AVC：生态系统最为成熟和完善，经过近二十年的发展，几乎所有视频相关的硬件和软件都提供了稳定、高效的支持，拥有最广泛的部署基础和技术积累。

H.265/HEVC：硬件解码支持非常广泛，覆盖了自2015年左右起的大部分设备，包括智能手机、PC、电视、机顶盒等，硬件编码支持也在较新的设备中普及，操作系统和专业软件支持良好，目前主流浏览器已逐步加入HEVC的原生支持。主要短板在于专利授权成本，以及因许可问题在开源社区渗透不足。它的生态系统在广播、高端VOD和苹果生态中非常成熟。

VP9：生态系统主要围绕Web和Android构建，浏览器支持极佳，Android支持非常普遍，硬件解码在许多面向网络和移动的设备中得到支持，硬件编码支持相对有限。在YouTube等平台的推动下，其Web生态系统非常成熟。

AV1：生态系统正处于高速发展期，虽然整体普及率仍不及HEVC，但增长势头强劲。浏览器解码支持已基本普及，操作系统支持也日益完善。硬件解码支持增长迅猛，已覆盖最新的主流CPU和GPU以及众多移动SoC。硬件编码支持开始出现在最新的高端GPU和部分SoC上。AV1已被Netflix、YouTube等主要流媒体平台选作下一代主力视频编码。

H.266/VVC：生态系统处于萌芽阶段，仅有少量软件编解码器和播放器支持。硬件支持极为有限，目前仅存在于少数芯片支持它的解码，尚未大规模商用。


专利授权模式与费用

专利授权模式和费用结构是决定视频编码标准市场接受度的关键因素，H.264、HEVC、VVC存在复杂的专利授权体系，而AV1/VP9则采用开源免版税模式，这一差异直接影响了各标准的部署成本和生态发展，各视频编码的专利授权模式的对比请看下表：

HEVC存在存在Access Advance和Via LA两个主要专利池，还存在池外专利持有者，高昂的许可成本和不确定性是它普及的主要障碍。VVC的许可情况仍在发展中，同样存在Access Advance和Via LA两个主要专利池，两个池均已公布许可条款，但总体成本和覆盖范围的清晰度仍有待市场检验。


未来发展趋势

随着视频分辨率和帧率不断提升，以及5G、8K和VR等新兴技术的发展，视频编码标准正经历快速演进。预计到2027年，全球视频流媒体市场规模将高达1843亿美元，AV1和VVC有望成为主流编码标准。

AV1凭借其免版税优势和接近HEVC的压缩效率，正快速渗透到流媒体生态，随着硬件加速的普及，AV1有望在2025-2027年间成为流媒体视频的主流格式，尤其适用于屏幕内容编码和低带宽环境。

H.266/VVC作为最新一代视频编码标准，相较HEVC标准，采用VVC标准可获得单流50%的带宽节省收益，约等同于16%的综合成本下降。数据显示，阿里巴巴达摩院推出的DAMO266解决方案日均视频播放量已破亿，显示其在专业服务器端的应用潜力。VVC最适合8K广播电视、VR/AR游戏串流和超高清监控等专业场景。

H.265/HEVC虽然面临专利争议，但其平衡的压缩效率与硬件成本使其短期内仍将是4K流媒体的主要标准。预计随着专利授权机制的完善和硬件成本的降低，H.265将在未来3-5年内保持重要地位，尤其在需要较高压缩效率但又无法承受AV1/VVC硬件门槛的场景。

VP9凭借其成熟度和较低的复杂度，可能在部分监控系统和实时通信中保留一定份额。随着AV1生态的成熟，VP9的重要性预计将进一步下降。

H.264虽然已进入成熟期，但其低复杂度和低带宽需求使其在物联网设备、低带宽监控和实时通信中保持不可替代的地位。据预测，H.264将在未来5到10年内仍占主导地位，尤其在新兴市场和低功耗设备中。