HEVC(H.265) 비디오 압축의 블록 구조와 예측 기술

H.264의 한계를 넘어선 HEVC

HEVC(High Efficiency Video Coding), 즉 H.265 또는 MPEG-H Part 2는 ITU-T와 ISO/IEC가 공동 개발해 2013년 표준화한 비디오 압축 표준이다. H.264 대비 50% 압축률 향상을 목표로 하며, 4K/8K UHD, 스트리밍, 모바일, 방송 환경을 대상으로 한다.

무선 콘텐츠 전송량이 늘고 방송 해상도가 높아지면서, 같은 화질을 더 적은 비트레이트로 전달해야 하는 요구가 커졌다. HEVC는 CTU-CU-PU-TU로 이어지는 계층형 블록 구조와 향상된 예측, 효율적인 변환을 결합해 이 요구를 다룬다.

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전송 환경과 해상도 요구가 만든 압축 부담

스마트폰과 태블릿에서의 비디오 소비 증가는 모바일 트래픽을 키운다. LTE/5G 환경에서도 대역폭은 제한적이며, 모바일 장치에서는 배터리 수명도 함께 고려해야 한다. 높은 압축률은 전송 데이터 사용량을 줄이는 수단이 된다.

방송에서는 해상도가 올라갈수록 필요한 비트레이트 차이가 커진다.

해상도	픽셀 수	H.264 비트레이트	HEVC 비트레이트	압축률 향상
HD (1080p)	2MP	8 Mbps	4 Mbps	50%
4K UHD	8MP	32 Mbps	16 Mbps	50%
8K UHD	33MP	128 Mbps	64 Mbps	50%

이 특성은 4K/8K 콘텐츠의 실시간 방송, 기존 인프라에서의 고화질 제공, 같은 대역폭 안에서 더 많은 채널을 송출하는 데 연결된다.

하나의 4K 원본은 기기와 네트워크 여건에 따라 서로 다른 해상도로 제공되어야 한다. HEVC는 스마트폰부터 대형 TV, 시네마까지를 대상으로 하며, 네트워크 상태에 맞춰 해상도를 조정하는 적응형 스트리밍과 공간적·시간적·품질 스케일러빌리티를 지원한다.

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트리로 분할하는 코딩 단위

HEVC는 영상의 특성에 적응하기 위해 트리 기반 블록 구조를 사용한다. 최상위 CTU에서 시작해 CU, PU, TU로 이어지며, 코딩·예측·변환 단위를 분리한다.

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CTU(Coding Tree Unit)는 최대 64×64 픽셀 크기의 최상위 블록이며, 쿼드트리 방식으로 분할된다. H.264의 16×16 단위와 비교하면 큰 평탄 영역을 더 효율적으로 처리할 수 있다.

CU(Coding Unit)는 8×8, 16×16, 32×32, 64×64의 가변 크기를 갖는 실제 코딩 단위다. 재귀적인 쿼드트리 분할을 거치며, Rate-Distortion Optimization으로 최적 크기를 정한다.

PU(Prediction Unit)는 화면 내(Intra) 및 화면 간(Inter) 예측에 사용된다. CU 크기에 따라 비대칭 분할이 가능하고, 2N×2N, 2N×N, N×2N, N×N, AMP(비대칭) 모드를 제공한다.

TU(Transform Unit)는 DCT/DST 변환과 양자화를 담당한다. 4×4, 8×8, 16×16, 32×32 크기를 사용하며 PU와 독립적으로 분할할 수 있다.

H.264가 고정 16×16 매크로블록을 쓰는 것과 달리, HEVC는 8×8~64×64의 가변 블록을 쓴다. 최대 블록은 4배 크다.

예측과 변환에서 높인 압축 효율

화면 내 예측은 35가지 방향을 사용하며, H.264의 9가지보다 더 세분화되어 있다. 1/32 픽셀 정확도를 사용하고, DC/Planar 모드는 평탄한 영역에 맞춘다. 이런 선택지는 텍스처와 에지 표현을 높이는 데 쓰인다.

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화면 간 예측에서는 1/4 픽셀 모션 벡터 정밀도와 향상된 보간법을 사용한다. 참조 프레임은 최대 16개이며 H.264도 16개다. AMVP(Advanced Motion Vector Prediction)는 모션 벡터 예측을 높이고, Merge 모드는 인접 블록의 모션 정보를 재사용한다.

DCT(Discrete Cosine Transform)는 4×4, 8×8, 16×16, 32×32 크기를 지원한다. H.264는 최대 8×8이다. 4×4 Intra에는 DST(Discrete Sine Transform)를 쓰며, 정수 변환으로 정확한 역변환이 가능하다. 큰 블록에서의 압축 효율을 높이는 방식이다.

양자화는 인간 시각 특성을 고려한 양자화 매트릭스를 사용한다. SAO(Sample Adaptive Offset)는 밴딩 아티팩트를 줄이고, Deblocking Filter는 블록 경계의 왜곡을 제거한다. 객관적 품질 지표와 주관적 품질 간의 균형도 이 과정에서 다뤄진다.

같은 화질과 비트레이트에서의 비교

동일 품질(PSNR) 기준으로 H.264가 10 Mbps일 때 HEVC는 5 Mbps다. 동일 비트레이트에서는 H.264가 35 dB, HEVC가 38 dB로 제시된다.

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응용 환경별 요구량과 절감 효과는 다음과 같다.

응용	H.264 요구량	HEVC 요구량	절감 효과
4K 스트리밍	25 Mbps	12.5 Mbps	50% 대역폭 절감
모바일 비디오	2 Mbps	1 Mbps	배터리 수명 연장
방송	15 Mbps/채널	7.5 Mbps/채널	2배 많은 채널
저장	4GB/시간	2GB/시간	50% 스토리지 절감

압축 효율에는 복잡도 비용이 따른다. 인코딩 복잡도는 H.264 대비 2-10배, 디코딩 복잡도는 H.264 대비 1.5-2배다. GPU와 전용 칩셋을 이용한 하드웨어 가속으로 실시간 처리가 가능하며, 최신 SoC는 전력 효율을 고려해 지원한다.