Encoder vos vidéos en HEVC (H.265) et x265 : Le format vidéo révolutionnaire !

Il vous arrive peut-être de plus en plus fréquemment de rencontrer le terme "HEVC" dans nos articles ou ceux de nos confrères. Il s'agit d'un terme important qui désigne une nouvelle norme de compression vidéo. Nous en sommes certains à HD-Numérique : le HEVC, désigné également par le terme H.265, va devenir un standard incontournable dans le secteur de l'audiovisuel professionnel et grand public. Cette norme de compression vidéo vous accompagnera très certainement dans les 10 voire 15 prochaines années.

Nous vous dressons aujourd'hui un petit dossier pour répondre aux principales interrogations relatives à ce nouveau format HEVC, qui sera notamment utilisé par l'Ultra HD Blu-ray.

- A quoi sert le HEVC ?
- A-t-il besoin de l'Ultra Haute Définition pour se développer ?
- Où le retrouvera-t-on ?
- Quelles sont ses applications ? 

On vous donne des réponses concrètes ici.

La norme MPEG-4 AVC / H.264 et ses limites

Si vous êtes fans d'éditions Blu-ray, le H.264 vous est bien connu. Répondant au nom de MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding), il est utilisé sur la plupart des éditions Blu-ray Disc. Les chaînes de la TNT HD, diffusées en 1080i, l'exploitent également et l'on tend vers une généralisation du MPEG-4 sur le réseau numérique terrestre. Cette généralisation se tiendra officiellement en avril 2016, période à laquelle plus aucune chaîne ne sera diffusée à l'ancienne norme MPEG-2.

Parenthèse importante : "norme" et "codec" désignent deux choses complémentaires mais différentes. Si le codec représente le dispositif capable de compresser et de décompresser les signaux numériques, la norme délimite le format. Par exemple, le MPEG-4 AVC/H.264 représente la norme vidéo. Le x264, bien connu des utilisateurs de P2P, représente un des codecs capables de produire un flux vidéo respectant cette norme MPEG-4 AVC / H.264. Certains constructeurs de matériels électroniques développent d'ailleurs eux-mêmes leurs codecs. Panasonic et Sony sont à l'origine du AVCHD qui respecte la norme H.264/MPEG-4 AVC.

En l'espace de 10 ans, le H.264 s'est imposé comme la norme de compression vidéo la plus utilisée, notamment pour la compression des contenus vidéo en haute définition. Mais à l'aube de la démocratisation de l'ultra haute définition, cette norme se heurte à des limites importantes.

Le H.264 peut en théorie très bien être utilisé pour l'encodage de vidéos Ultra HD (3840 x 2160 pixels) ou 4K (4096 x 2160 pixels). A l'image des premières éditions Blu-ray Disc qui exploitaient l'ancienne norme MPEG-2 pour les films en Full-HD. Mais le format n'est pas totalement adapté dans la mesure où, pour une qualité d'image optimale, il réclamerait d'importants débits vidéo et généreraient des fichiers trop imposants à stocker et partager. Trop importants pour pouvoir stocker un film UHD sur un Blu-ray simple couche par exemple ou le diffuser en streaming dans une qualité respectable. C'est face à ce défit qu'est né le nouveau format, successeur du H.264 : le H.265 (HEVC).

Naissance de la norme vidéo HEVC (H.265)

L'avenir des nouvelles technologies numériques repose-t-elle sur des machines de plus en plus puissantes et de nouveaux formats de stockage ? Non. Par forcément. Elle repose selon nous sur la compression des données et l'efficacité de cette compression. A l'heure de la dématérialisation croissante des contenus vidéo, notamment caractérisée par l'émergence de la vidéo à la demande et de services SVOD tels que Netflix, cette affirmation n'a jamais été aussi vraie. De même, si la résolution de nos vidéos évolue plus vite que les capacités de stockage et la qualité des infrastructures réseaux, il était primordial d'être en mesure de réduire la taille de ces données vidéo.

C'est dans ce contexte que le HEVC est né. Il s'agit de la norme de compression vidéo, connue également sous le nom de H.265. Elle est né fin janvier 2013, période à laquelle une première version a été finalisée. Son objectif : remplacer progressivement le format H.264. Elle a été développée conjointement par la norme ISO / IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) & ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG).

Codage Vidéo Haute Performance

Le HEVC est l'acronyme d'"High Efficiency Video Coding", soit du "codage vidéo haute performance". Son atout : les gains de compression impressionnants qu'il est capable d'apporter. Le H.265 est capable de compresser une vidéo en réduisant la taille d'une vidéo Full-HD de moitié par rapport à la norme précédente (H.264). C'est énorme !

On parle de gains de compression de 30 à 60 % avec une moyenne de 40% par rapport aux flux H.264, même si ce rapport varie en fonction du type de contenu, la résolution et des paramètres de compression. En définition standard, le H.265 pourra produire des fichiers plus petits d’environ 30% à qualité équivalente. En 1080p c’est une réduction de 50% qui peut-être atteinte. Et les gains de compression peuvent être encore supérieurs avec l'UHD !

C'est tout simplement une révolution. L'adoption du format permet d'imaginer la distribution de contenus ultra haute définition avec beaucoup de moins de contraintes que sous l'ère du H.264. On peut même affirmer que l'Ultra Haute Définition a besoin, presque nécessairement, du HEVC pour devenir une réalité.

Mais attention : la norme HEVC n’a pas besoin de l’UHD pour se développer ! Le format peut-être employé pour compresser toutes sortes de vidéo, SD, HD et Full-HD. On est d'ailleurs certains que les premières implémentations du HEVC concerneront la HD.

Comment fonctionne ce type de compression vidéo ?

La norme H.265 reprend les grands principes du H.264 tout en y apportant plusieurs améliorations. Revenons dans un premier temps sur ces grands principes.

On y retrouve d'abord un algorithme de compression vidéo de redondance temporelle, travaillant par définition sur la similarité des images dont une même séquence se compose. On parle d'un algorithme de prédiction inter-trame, ou prédiction temporelle. Elle consiste à profiter des redondances temporelles d’une séquence filmée, c'est-à-dire profiter du fait que les images successives qui constituent une même séquence se ressemblent pour n’encoder que ce qui les différencie.

Pour cela, on définit une séquence d’images dénommée « Group of Pictures » ou GOP. On enregistre la première image de ce groupe comme une image clef de référence. On parle alors de keyframe ou d'I-frame. On divise en supplément cette image en petits blocks de pixels (macroblocks). Et c'est à l'intérieur de ces blocks que l'on va effectuer une estimation des mouvements. Ici, l'image qui suit la keyframe, que l'on appelle P-frame, va être reconstruite grâce aux vecteurs de mouvements. L'image suivante est une B-Frame. Elle est prédite de façon bidirectionnelle, par la P-Frame précédente et l'I-Frame suivante.

Ce principe de prédiction temporelle introduit bien sûr des imperfections. Elles sont appelées résidus. Ces résidus seront plus ou moins importants selon le bitrate choisi et la taille du fichier.

Outre un algorithme de redondance temporelle, le H.264 et son successeur travaillent également sur la redondance spatiale, c'est-à-dire sur l’homogénéité des régions dont les images se composent. On parle ici de codage intra-frame. On ne rentrera pas dans les détails les plus complexes. On note simplement que le H.264 travaille sur des blocks de tailles variables avec une précision de l’estimation de mouvement allant jusqu'au quart de pixels. Le H.264 permet également de compresser de manière efficace les coefficients résiduels (CABAC) et de repérer de façon optimale les redondances spatiales sur les blocs voisins.

Liste d'améliorations importantes apportées par l'H.265

Le H.265 reprend les grands principes de la norme H.264 tout en apportant d'importantes améliorations. Les voici :

- Une meilleure subdivision des images avec les Coding Tree Blocks
Contrairement au H.264, les macroblocks d'une taille maximale de 16x16 pixels, ne sont plus l'unité de codage. Le format HEVC emploie une nouvelle unité avec des Coding Tree Blocks (ou CTB) d'une taille maximale de 64x64 pixels. La subdivision des images est meilleure grâce à l'adoption d'une structure arborescente. L'emploi de blocks plus larges rend plus efficace la compression des grandes images, ce qui est le cas avec les images UHD.

- Des prédictions intra images plus efficaces
L' H.264 se limitait à 9 modes de détection de redondance spatiale contre 35 modes pour le HEVC. La compression est meilleure mais l'analyse est plus longue.

- Une meilleure codification des coefficients résiduels (CABAC)
Cela améliore ainsi le signal sans augmentation du bitrate.

- Filtrage plus performant et nouveau filtre SAO ( Sample Adaptive Offset).
- Nouvelles fonctionnalités pour favoriser le traitement parallèle.

Ces améliorations diverses rendent le format HEVC très efficace. Mais elles se traduisent dans le même temps par un accroissement de la complexité de la compression et une charge supérieure pour les CPU. Conséquence : les temps d'encodage sont supérieurs. Presque de 10 fois.

L'HEVC pour désengorger les réseaux

L’efficacité de la norme HEVC est d'autant plus forte que la résolution est élevée. C'est donc avec l'ultra haute définition que le HEVC, et les nouveaux outils d’arborescence de codage (les fameux Coding Tree), s'expriment avec le plus d'efficacité. Mais à quoi serviront les gains ?

Ces gains permettront plusieurs choses :

- multiplier le nombre de chaînes grâce à la baisse des débits nécessaire
- désengorger les réseaux
- augmenter la qualité des chaînes de télévision, soit en basculant davantage de chaînes SD en HD, ou en améliorant la HD existante avec un passage possible du 1080i au 1080p.
- Rendre possible la diffusion de contenus en Ultra Haute Définition sur les réseaux Internet (c'est le cas de Netflix) ou via satellite (DVB-S2).

Son intérêt sera donc d’abord fonctionnel et économique pour éviter la saturation des réseaux IP. Le HEVC permettra de garantir l'extension de l'éligibilité aux services audiovisuels (TV, VoD...) des abonnés aux réseaux fixes. La rumeur veut d'ailleurs que Free introduira une nouvelle Freebox en 2015 bénéficiant d'une compatibilité avec la norme HEVC.

MAJ : Free lance la Freebox Mini 4K compatible HEVC !

Ultra HD Blu-ray en fin d'année 2015

Sachez-le : le Blu-ray va connaître une évolution de taille en fin d'année 2015, date à laquelle devrait être lancée la norme Ultra HD Blu-ray. Les disques au format Ultra HD Blu-ray exploiteront la norme de compression HEVC / H.265. Un choix judicieux que l'on ne peut qu'approuver tant le format se montre prometteur et particulièrement efficace pour la compression des vidéos UHD. Sachez que le support évoluera sur le plan "physique" puisque l'on parle désormais de disques Blu-ray d'une capacité de stockage de 66 Go (Double couche) et de 100 Go (Triple Couche), contre des disques de 25 et 50 Go auparavant.

Des rip deux fois plus petits avec le x265 !

Autre nouveauté introduite des suites du HEVC : le codec x265. Il est le digne successeur du x264, fameuse bibliothèque libre sous licence publique générale GNU issue du projet VideoLAN permettant de coder des flux vidéo H.264 (ou MPEG-4 AVC).

Le x264 vous est sans doute familier. Il est massivement utilisé à l'échelle mondiale. On le retrouve sur la plupart des rip HD 720p et 1080p de films et séries TV. Ces fameux rip plus ou moins légaux qu'il est possible de dénicher sur la toile... Le codec x265 représente l'évolution naturelle du x.264. On pourrait résumer la promesse de ce nouveau codec par rapport à son prédécesseur : offrir la même qualité d'image pour un fichier vidéo 2 fois plus petit !

Sachez qu'il est d'ores et déjà possible de dénicher des rip de films et de séries TV encodés en x.265. Ces fichiers bénéficiant des atouts de la norme de la compression HEVC. Ils ont l'avantage d'être très légers tout en offrant une qualité d'image spectaculaire. Les réseaux P2P regorgent déjà de films en 1080p x.265 (BDRIP / WEBRIP). Certains de ces rips tiennent moins de 2 Go et bénéficient d'une qualité d'image assez étonnante compte tenu de la taille de leur fichier. Croyez-nous !

Sans rentrer dans les détails, sachez que plusieurs solutions existent actuellement pour vous permettre de réencoder des flux H.264 en HEVC :

- FFmpeg
- MyBD de Cinemartin
- MediaEspresso 7 de Cyberlink
- HandBrake

Pour la lecture de ces flux sur PC, notre préférence va pour MPC-HC. On citera aussi VLC.

Le HEVC : Un agent de changement et de renouvellement des équipements

Le format HEVC est efficace mais très complexe. Il nécessite plus de ressources pour pouvoir être décodé. 3 fois plus qu'un flux H.264. S'il est pleinement possible de décoder des flux 1080p en HEVC sur des ordinateurs grâce à leur réserve de puissance (les multi-coeurs d'hier et d'aujourd'hui savent le faire), les choses sont différentes avec vos autres équipements : lecteurs Blu-ray, Box Internet, Smart TV, disques dur multimédia.... Les appareils qui exploitent cette technologie doivent et devront être équipés d'une puce de décompression spécifique. C'est une des raisons pour lesquels les consommateurs seront incités à renouveler leur matériel.

La diffusion du HEVC se produira certainement dans les secteurs pour lesquels le renouvellement des équipements obéit à des cycles relativement courts : smartphones, tablettes, et APN. La démocratisation du HEVC sur les Smart TV prendra plus de temps. Elle s'effectuera en lien avec l'émergence de l'Ultra HD.

Filmer en HEVC

L'intérêt de pouvoir filmer en HEVC est important pour le grand public. L'adoption du nouveau format de compression vidéo sur les DSLR, hybrides et compacts offre la promesse de produire des fichiers vidéo de taille réduite à qualité d'image comparable. Cette fonction est particulièrement intéressante pour les caméras et APN capables de filmer en Ultra HD ou 4K.
Dans ce secteur, c'est Samsung qui fait office de précurseur avec le NX1 et le NX500, son nouvel hybride haut de gamme. D'autres constructeurs devraient suivre cette logique courant 2015. Comme pour le H.264, on pense logique que le HEVC donnera naissance à l'avenir à de nouveaux codecs de production pour les caméras.

Notez enfin que Cinemartin propose une solution professionnelle permettant l'encodage de flux de vidéos en HEVC (10-bit jusque 8K) sous Adobe After Effects. Il s'agit de Cinec, disponible aujourd'hui dans sa version 4.0. Avis aux plus vidéastes d'entre vous.

Conclusion

Le HEVC est un format plein de promesses. Il est d'une efficacité redoutable. Son exploitation va être bénéfique dans de nombreux domaines d'applications. Il est compatible SD, HD, Full-HD, 2K, 4K, 8K et HFR. Sous ses différents profils, il gère les échantillonnage couleurs 4.2.0, 4.2.2, 4.4.4 avec une possibilité d'encodage lossless (sans aucune perte de compression). Il sera certainement au cœur des modes de consommation audiovisuel de demain.

Les changements de mode dans le secteur prennent néanmoins du temps et l'adoption du HEVC s'effectuera de manière très progressive. Rappelons que la France a été pionnière avec le format MPEG-4 H.264 sur la TNT et des premiers essais effectués en 2006. Néanmoins, la généralisation du MPEG-4 sur la télévision numérique terrestre ne sera pas achevée avant le mois d'avril 2016, soit 10 ans plus tard.

Insistons également sur l'évolutivité de la norme. Le MPEG-2 et le H.264 nous ont habitués à une montée en puissance de leurs performances dans la durée. Des extensions au HEVC - H.265 ont déjà été proposées et sont venues s'ajouter à l'instar du MV-HEVC, l'extension 3D du format HEVC.

En termes d'adoption, des fabricants majeurs tels que Microsoft garantissent déjà la compatibilité de leur produit avec le HEVC, comme le futur Windows 10, gérant de façon native le format. Les téléviseurs récents haut de gamme (ultra haute définition) sont pour la plupart compatibles HEVC. L'adoption va continuer à s'étendre vers d'autres types de produits.

Selon nous, 2017 pourrait être l'année du décollage grand public de la technologie.