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中國安防展覽網(wǎng) 品牌專欄】近，“H.265”又成了安防界的熱點話題。H.265標(biāo)準(zhǔn)自2013年被確認(rèn)，到現(xiàn)在各大企業(yè)發(fā)布H.265產(chǎn)品，其發(fā)展趨勢異?；馃?。究其原因，在于“高清”給現(xiàn)有視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)帶來了越來越大的碼流挑戰(zhàn)，雖然很多安防廠家都祭出殺招，但4K高清的來襲洶洶，即使現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)再怎么改頭換面也顯得愈發(fā)無能為力，此時，H.265編解碼的發(fā)展變得越發(fā)重要，相信在不遠(yuǎn)的將來，支持H.265的產(chǎn)品將會大面積地推出，安防高清監(jiān)控。
一、“強”視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn) H.265標(biāo)準(zhǔn)全稱為視頻編碼(High Efficiency Video Coding)，也即HEVC，相較于之前的H.264標(biāo)準(zhǔn)有了相當(dāng)大的改善。
H.265又何以讓如此多的行業(yè)都青睞有加？故事開始還是需要從H.264說起，H.264也稱作MPEG-4AVC(AdvancedVideoCodec，視頻編碼)，因其可以得到比其他編碼標(biāo)準(zhǔn)更高的視頻質(zhì)量和更低的碼率，而得到了人們的認(rèn)可，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)流媒體數(shù)據(jù)、各種高清晰度電視廣播以及衛(wèi)星電視廣播等領(lǐng)域。從編碼框架上來說，H.265仍然沿用了H.264的混合編碼框架，主要包含：幀內(nèi)預(yù)測(intraprediction)、幀間預(yù)測(interprediction)、轉(zhuǎn)換(transform)、量化(quantization)、去區(qū)塊濾波器(deblockingfilter)、熵編碼(entropycoding)等模塊。
如今更高清發(fā)展愈演強烈，H.264也遇到了瓶頸。以編碼單位來說，H.264中每個宏塊(marcoblock，MB)大小都是固定的16x16像素。然而，在更高分辨率下，單個宏塊所表示的圖像內(nèi)容信息大大減少，H.264所采用的宏塊經(jīng)過整數(shù)變換后，低頻系數(shù)相似程度也大大提高，出現(xiàn)大量冗余，導(dǎo)致H.264編碼對高清視頻的壓縮效率明顯降低；其次，H.264算法宏塊個數(shù)的爆發(fā)式增長，會導(dǎo)致每個編碼宏塊的預(yù)測模式、運動矢量、參考幀索引和量化級等宏塊級參數(shù)信息占用更多碼流資源，在有限帶寬中，分配給真正描述圖像內(nèi)容的殘差系數(shù)信息的可用帶寬明顯減少了；再有，由于分辨率的提高，表示同一個運動的運動矢量幅值也將大大增加，H.264編碼方式的特點是數(shù)值越大使用的比特數(shù)越多，因此，隨著運動矢量幅值的大幅增加，H.264中用來對運動矢量進(jìn)行預(yù)測以及編碼的壓縮率也將逐漸降低。
相比H.264，H.265提供了更多不同的工具來降低碼率。H.265的編碼單位可以選擇從小的8x8到大的64x64。信息量不多的區(qū)域(顏色變化不明顯，比如天空的灰色部分)劃分的宏塊較大，編碼后的碼字較少，而細(xì)節(jié)多的地方(細(xì)節(jié)變化較多，比如大樓部分)劃分的宏塊就相應(yīng)的小和多一些，編碼后的碼字較多，這樣就相當(dāng)于對圖像進(jìn)行了有重點的編碼，從而降低了整體的碼率，編碼效率就相應(yīng)提高了。這個過程有點像“感興趣區(qū)域編碼”，針對重要的更多關(guān)鍵細(xì)節(jié)的部分進(jìn)行增強劃塊，無更多關(guān)鍵細(xì)節(jié)的部分進(jìn)行簡單劃塊，但是這個過程在H.265上可以自適應(yīng)識別實現(xiàn)。
總結(jié)發(fā)現(xiàn)，H.265和H.264主要的技術(shù)區(qū)別如下：
可以看到，H.265相比H.264主要的改變是采用了塊的四叉樹劃分結(jié)構(gòu)，采用了從64x64~8x8像素的自適應(yīng)塊劃分，并基于這種塊劃分結(jié)構(gòu)采用一系列自適應(yīng)的預(yù)測和變換等編碼技術(shù)。除此之外，還引入了全新的SAO(Sample Adaptive Offset)技術(shù)，SAO是一種參考幀補償技術(shù)，從而提高幀間預(yù)測的準(zhǔn)確度。同時，在并行實現(xiàn)方面，H.265也采用了WPP(Wavefront Parallel Processing)和Tile技術(shù)，能夠充分發(fā)揮當(dāng)前主流處理器的多核并行能力。這些新技術(shù)的應(yīng)用，不但有效地提高壓縮性能，也為各種處理器平臺的有效實現(xiàn)擴展了空間。
反復(fù)的比較測試已經(jīng)表明，在相同的圖象質(zhì)量下，相比于H.264，通過H.265編碼的視頻碼流大小比H.264減少大約39-44%。由于質(zhì)量控制的測定方法不同，這個數(shù)據(jù)也會有相應(yīng)的變化。以目前主流的分辨率為例，H.265在1080p分辨率下相比H.264碼率降低40%~50%，在720p下相比降低30%~40%，這也就意味著，1080p全實時只需要1.5~2M左右的碼率。如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)表示碼率，縱坐標(biāo)表示PSNR(峰值信噪比)，圖像客觀質(zhì)量指標(biāo)，各條曲線為各種常見的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。此外，隨著分辨率的提升，H.265碼率降低也會更多。如圖4中，針對4K高清在行人、交通等場景下的測試也表明，H.265在4超高清分辨率下也可獲得相比H.264降低50%~60%的碼率。
由此看來，無論在功能還是性能上，H.265都幾乎對H.264有著全面性的進(jìn)步，是針對當(dāng)前視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的全面超越，這也使得H.265*的成為了當(dāng)下“強”視頻壓縮技術(shù)。
二、H.265全國產(chǎn)化安防應(yīng)用
前面提到，如今安防走在更高清的路上，H.264等標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不再適用于更高清的安防規(guī)則了，安防需要有相比H.264更的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)一步推動視頻高清化的發(fā)展，H.265呼之欲出。作為新一代的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，H.265明顯的特點是：壓縮性能相比當(dāng)前視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.264提升了一倍。當(dāng)然，H.265的好處遠(yuǎn)不止4K更高清監(jiān)控這么簡單，舉個例子，在平安城市中炙手可熱的1080p全高清布控，H.264標(biāo)準(zhǔn)下1080p需要4M以上的碼率來保證圖像質(zhì)量，若采用H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，則1080p僅需1~2M左右碼流，而整個存儲池就可以縮減為原來的一半，或者可以布控比原來多1倍以上的高清點位，又或者可以延長一倍以上的存儲時間。
說到這里，大家肯定會問，H.265能否具備民族化的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和視頻信息安全上的保證？由于安防行業(yè)的特殊性，這也是用戶關(guān)心的兩個方面。
我們先來了解一下H.265應(yīng)用到安防領(lǐng)域中各環(huán)節(jié)廠家起到的作用，可以用文字的發(fā)展應(yīng)用來類比。前期是標(biāo)準(zhǔn)的制定，主要由JCT-VT主導(dǎo)，這個過程有點像字典的編寫；然后芯片廠家使用H.265這本視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)字典，以不同的行文風(fēng)格（芯片算法），寫出一篇篇文章（壓縮碼流），這是實現(xiàn)層；到了應(yīng)用層，更多的掌握在視頻監(jiān)控廠家手里，他們更多的作用是H.265文章的收集者，經(jīng)過排版、優(yōu)化做成各式書籍(產(chǎn)品)，對外進(jìn)行產(chǎn)品化銷售。由標(biāo)準(zhǔn)組織ISO和電信聯(lián)合會ITU聯(lián)合小組JCT-VT*的H.265，集合了中美韓日等多國大學(xué)、企業(yè)、研究所等組織的技術(shù)力量，則可以視為目前定義、效率高的通用字典。
從產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用層來看，H.265可以實現(xiàn)全國產(chǎn)化。在底層應(yīng)用方面，國內(nèi)部分方案提供商已經(jīng)陸續(xù)推出了基于H.265編碼算法的壓縮芯片，而華為等中國企業(yè)擁有相當(dāng)一部分H.265核心，是該標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)者之一，華為海思即將推出業(yè)界顆基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機處理器Hi3516A。與此同時，國內(nèi)的安防廠商也在積極地推動著H.265視頻標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，基于H.265方案的編解碼設(shè)備陸續(xù)發(fā)布。再來看H.265的產(chǎn)品應(yīng)用，目前國內(nèi)安防廠家基本都具備了產(chǎn)品化的研發(fā)實力，包括以?？低暤绕髽I(yè)為代表的廠家都相繼推出了支持H.265的產(chǎn)品。所以說，不論從芯片還是到產(chǎn)品，H.265均可做到國產(chǎn)化。
再來看安防行業(yè)關(guān)注的信息安全問題，這就涉及到數(shù)據(jù)的加密。說到底，數(shù)據(jù)加密其實是和視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)不同范疇的兩種技術(shù)。視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的核心是用盡量少的數(shù)據(jù)量來定義所承載的視頻信息，提高數(shù)據(jù)壓縮性能，數(shù)據(jù)的安全性則由加密來保證。這一關(guān)系同樣可以用字典文字來類比。采用不同的視頻壓縮算法，好比利用不同的字典來寫文章。只要是“標(biāo)準(zhǔn)化”的字典或視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，對信息的表述就必須有清晰的定義，好比中文和英文都能被人讀懂，沒有信息安全方面的差異。寫出來的文字信息如果希望安全，則需要在存儲或傳輸?shù)臅r候進(jìn)行加密，例如在傳輸信道上加密加擾，存儲數(shù)據(jù)設(shè)置密碼，控制訪問權(quán)限等。同樣的，視頻監(jiān)控的信息安全與否，取決于安防系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式、權(quán)限管理方案、密碼保護(hù)方法，與視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)無關(guān)。在加密和標(biāo)準(zhǔn)層面上，目前國內(nèi)大型安防廠家基本都已經(jīng)具備了完善的安全加密實力。舉例來說，目前安防炙手可熱的云儲存技術(shù)，大家關(guān)心的問題也是信息安全問題，以?？低暈槔？低曉苾Υ婢吞峁┝丝煽康陌踩用鼙Ｕ希诤芏囗椖可暇写笠?guī)模運用。在很多平安城市級的項目中，數(shù)據(jù)安全更是人們關(guān)心的問題，目前主流的監(jiān)控廠家均具備加密開發(fā)實力，并且這種加密機制也做得相當(dāng)完善。
三、H.265安防新標(biāo)準(zhǔn)
從前面兩個維度來看，華為海思等芯片企業(yè)、?？低暤劝卜榔髽I(yè)，都在投入H.265的研究，從而極大推進(jìn)了H.265在安防領(lǐng)域的應(yīng)用，使得H.265具備了極大的國產(chǎn)化應(yīng)用優(yōu)勢。同時，由于H.265標(biāo)準(zhǔn)是在H.264標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上逐步發(fā)展起來的，可向下兼容H.264，結(jié)合H.264在視頻應(yīng)用領(lǐng)域的主流地位可以預(yù)測出H.265標(biāo)準(zhǔn)在未來具有廣大的發(fā)展前景。
可以想象，在未來的很長一段時間里，H.265新標(biāo)準(zhǔn)必將安防的主流，H.265的民族化發(fā)展又恰好順應(yīng)了這一趨勢。（文/?？低?姚靜）
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