在視頻監(jiān)控應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展中，視頻應(yīng)用一直遵循著不斷向更高清晰度、更高幀率、更高壓縮率方向發(fā)展的趨勢。視頻編碼技術(shù)H.26Lzui早在1997年被提出，被譽為高度壓縮數(shù)字視頻編碼器標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在通常被稱之為H.264/MPEG-4 AVC，簡稱之為H.264 。通過該標(biāo)準(zhǔn)，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標(biāo)準(zhǔn)提高了兩倍以上，憑借其的編碼性能，連續(xù)提供流暢的高質(zhì)量圖像，以及在不穩(wěn)定環(huán)境下*的容錯率，在過去十年里席卷，滲透進了每一個音視頻領(lǐng)域，與此同時，*地福澤到安防行業(yè)。同時隨著視頻流網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控開始高速發(fā)展，畫質(zhì)、清晰度迅速更新?lián)Q代，幾年前還在為監(jiān)控室展現(xiàn)出來的720P畫面津津樂道，而今1080P已然壟斷網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的時代，并普及到了大街小巷每個角落。
伴隨著技術(shù)的發(fā)展，對超清畫質(zhì)的追求也使得安防行業(yè)目光的焦點投向了4K。4K液晶顯示器在各*陸續(xù)推出，安防廠家也陸續(xù)推出了前端4K攝像機和后端4K網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機，HDMI的傳輸協(xié)議也支持到4K，這樣看來，4K的監(jiān)控體系已經(jīng)配套成型，整裝待發(fā)。然而問題來了，4K畫面在H.264編碼技術(shù)下動輒16Mbps的大碼流，在如今各行業(yè)應(yīng)用中還要面臨帶寬、存儲、能耗和實時性的苛刻要求，于是，更的壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在千呼萬喚中應(yīng)時而生——H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)。
二、H.265編碼技術(shù)介紹
2013年電信聯(lián)盟ITU正式批準(zhǔn)通過了H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)，，標(biāo)準(zhǔn)全稱為視頻編碼(High EfficiencyVideo Coding)，在相同的圖像質(zhì)量下，相比于H.264，H.265編碼的視頻流大小將減少30～50%。
1、H.265(HEVC)的技術(shù)亮點
作為新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，HEVC(H.265)仍然屬于預(yù)測加變換的混合編碼框架。然而，相對于H.264，H.265 在很多方面有了革命性的變化。其中zui終要的就是采用了靈活的編碼結(jié)構(gòu)。
在H.265中，將宏塊的大小從H.264的16x16擴展到了64x64，以便于高分辨率視頻的壓縮。同時，采用了更加靈活的編碼結(jié)構(gòu)來提高編碼效率，包括編碼單元(Coding Unit)、預(yù)測單元(Predict Unit)和變換單元(Transform Unit)。如圖所示：
圖1 編碼單元(CU)、預(yù)測單元(PU)、變換單元(CU)
其中編碼單元類似于H.264/AVC中的宏塊的概念，用于編碼的過程，預(yù)測單元是進行預(yù)測的基本單元，變換單元是進行變換和量化的基本單元。這三個單元的分離，使得變換、預(yù)測和編碼各個處理環(huán)節(jié)更加靈活，也有利于各環(huán)節(jié)的劃分更加符合視頻圖像的紋理特征，有利于各個單元更優(yōu)化的完成各自的功能。
以下圖為例，左圖是傳統(tǒng)的H.264標(biāo)準(zhǔn)，每個宏塊大小都是固定的；右圖是H.265標(biāo)準(zhǔn)，編碼單元大小是根據(jù)區(qū)域信息量來決定的。
圖2 H.264與H.265宏塊切割的區(qū)別
以往H.264會以16 x 16像素為單位(或是16 x 8、8 x 8、8 x 4、4 x 4等配置)，將畫面切割為數(shù)個大小相同的巨區(qū)塊，并以這些巨區(qū)塊做為編碼時的zui小元素。H.265則是將切割畫面的工作從使用者手動設(shè)定，轉(zhuǎn)交給編碼器來決定，讓編碼器可視情況以16x16、32 x 32、64 x 64等尺寸，將畫面切割為數(shù)個編碼樹單元，一般來說區(qū)塊尺寸越大，壓縮效率就會越好。
正是通過一系列的優(yōu)化，H.265的視頻編碼壓縮技術(shù)能夠讓相同的的畫面及質(zhì)量的視頻文件容量大小縮減一半，所占用的帶寬也能縮減一半，為有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬提供了更的視頻壓縮解決方案。在相同的視頻畫面下，通過H.265編碼的視頻大小，相較于H.264編碼，視頻流大小節(jié)省了30%～50%。如此一來，4K視頻碼流原來需要16Mbps，基于H.265的技術(shù)編碼后，4K視頻碼流僅需8Mbps。而原來在網(wǎng)絡(luò)高清系統(tǒng)中廣泛使用的1080P碼流，也從原來的4～6Mbps，通過H.265編碼壓縮，降為2～3Mbps。這意味著隨著MMIS車地?zé)o線系統(tǒng)在上海軌道交通的建設(shè)，100Mbps的帶寬可以滿足同時傳輸zui大30-40路車載視頻，滿足地面實時瀏覽車載視頻監(jiān)控的需求。
IEEE的測試中，以9段影片進行測試 H.265 的編碼表現(xiàn)，*樣本節(jié)省流量達到66.6%，表現(xiàn)zui差的樣本，節(jié)省流量也接近30%，平均值達到49.3%。同時，H.265支持 4K(4096×2160)和 8K(8192×4320)像素的超高清視頻。 4K 視頻的數(shù)據(jù)量是高清的 4～8 倍，需要更率的壓縮編碼算法，而 H.265 的編碼效率是 H.264 的兩倍，可以很好的滿足 4K 視頻的編碼需求，節(jié)省存儲資源。
圖3 H.265與H.264碼流帶寬比較
在軌道交通視頻監(jiān)控應(yīng)用中，隨著2015年12月27日第十二屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第十八次會議通過《*怖主義法》，其中第三十二條明確規(guī)定：“重點目標(biāo)的管理單位應(yīng)當(dāng)建立公共安全視頻圖像信息系統(tǒng)值班監(jiān)看、信息保存使用、運行維護等管理制度，保障相關(guān)系統(tǒng)正常運行。采集的視頻圖像信息保存期限不得少于九十日。”其中須履行的場所包含了政府機構(gòu)、銀行、城市大型活動場所、機場、火車站、城市軌道交通站等重點目標(biāo)，其視頻錄像由30天以上須調(diào)整為90天以上，這對于軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)投入提出了更高的需求。以上海為例，目前采用H.264編碼的1080P/25幀視頻，以一個站平均100個點位，存儲90天計算，需要372T硬盤容納容量，若采用H.265編碼，則存儲設(shè)備的投入可以減少到一半。
目前各大視頻監(jiān)控廠商均已推出了成熟的H.265產(chǎn)品。視頻監(jiān)控領(lǐng)域的視頻壓縮，由H.265取代H.264，主要影響的是壓縮模塊產(chǎn)品和解碼模塊產(chǎn)品，即IPC、NVR、解碼器，以及帶有解碼顯示的平臺軟件。其關(guān)鍵在于使用碼芯片的ASIC或者硬件加速單元進行硬編碼和硬解碼。目前業(yè)界主流的芯片廠商如海思、安霸、高通、SONY、NVIDIA、In等公司陸續(xù)提出H.265配合4K超高清的編解碼SOC或者CPU+ASIC的編解碼方案。而基于H.265的IPC、NVR、平臺等等產(chǎn)品形態(tài)已經(jīng)成為行業(yè)標(biāo)配。
三、H.265技術(shù)在上海軌道交通的應(yīng)用
目前上海軌道交通高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)通過IP網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，以GB-28181 SIP協(xié)議為平臺間控制協(xié)議，ONVIF為前端設(shè)備接入?yún)f(xié)議，H.264為編碼協(xié)議。由于H.265是作為H.264的迭代升級，因此升級和過渡僅需進行對應(yīng)編解碼設(shè)備以及控制協(xié)議的升級即可，是一種平滑、低代價的升級。GB-28181《公共安全食品監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)-信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》正在修編過程中，其中增加了H.265統(tǒng)一編碼規(guī)定，同時也對控制協(xié)議進行了相應(yīng)的擴展。而ONVIF(Open Network Video Interface Forum)也于2017年7月公布了Profile T的規(guī)范草案，草案對*流媒體功能進行了支持，包括支持H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)以及擴展功能集，擴展了系統(tǒng)集成商和終端用戶的ONVIF視頻配置的功能。這使得上海軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)引入H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)時在控制協(xié)議上僅需將現(xiàn)有控制協(xié)議進行升級迭代即可。
四、結(jié)論
H.265編碼技術(shù)的應(yīng)用在目前安防監(jiān)控的帶寬需求、存儲需求日趨增加的背景下，能夠以一種更加和節(jié)約的方式推動安防監(jiān)控邁向更清晰，更智能的新篇章。而其對前任H.264在系統(tǒng)架構(gòu)上的繼承也使得用戶能夠以zui小的代價進行技術(shù)升級。上海軌道交通目前具備升級到H.265的能力，同時隨著存儲90天、地面實時瀏覽車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)甚至移動視頻監(jiān)控等需求的增加，也有進行技術(shù)升級的需求。
專題作者：上海申通地鐵集團有限公司技術(shù)中心周明；特別聲明 ：轉(zhuǎn)載者須注明作者、單位及文章來源
