H.265:引爆监控高清时代

    【CPS中安网 cps.com.cn】众所周知，高清化、网络化、智能化是视频监控发展的趋势。当前整个安防行业的发展，无论是在行业项目如平安城市、交通、银行、公检法司系统等行业系统，还是在民用系统如社区、楼宇、家庭看护等，都逐步迈入了高清时代，并且向高分辨率持续升级。高清视频监控在向着高清化、网络化持续升级的同时，也面临着两个最主要的问题：

　　网络传输带宽问题

　　目前高清网络摄像机可以提供100万、200万、500万甚至更高像素的视频图像，以1080P为例，在画面流畅、画质良好的情况下，码流一般为6~8Mbit左右，如果一个系统中有几百、上千个高清监控点，那么整个网络的数据流就会相当的庞大。在网络传输中可能同时有用作存储的视频流，有实时和回放查看的视频流，有第三方系统需要调用的视频流，这样势必会给网络交换设备、服务器等造成非常大的压力，甚至引发网络崩溃，从而影响整个网络的稳定性。因此，面对有限的网络带宽如何满足庞大的数据流传输以及合理规划视频流的走向，已经成为高清监控必须要解决的首要问题。

　　海量数据存储问题

　　高清视频的存储会给存储设备带来非常大的压力，除了高码流会消耗更大的存储空间外，对存储设备的稳定性、可靠性、安全性也提出了更高的要求，如果存储设备性能不足，将会影响视频数据的正常写入。

　　有没有一种方案，既大幅降低码流，又保证高质量的图像画质呢?答案是采用更先进的视频编码技术H.265/HEVC。与H.264/AVC相比，H.265/HEVC的最大本领是可以在维持画质基本不变的前提下，让数据传输带宽缩减至H.264/AVC的一半。同时其还支持最高为7680×4320的分辨率，因此不管是以后的4K或者是更高级别的超高清视频，我们同样可以通过H.265/HEVC格式进行编码。

　　H.265/HEVC的前世今生

　　2003年前后，ITU-T VCEG(视频编码专家组)就启动了名为NGVC(Next-Generation Video Coding)的“探索”工程，其目的即在研究压缩性能超过H.264/AVC的“下一代视频编码”方案。但遗憾的是，H.264/AVC已经代表了当时最高水准的视频压缩技术，所以几经努力但收效甚微。

　　2005年前后，基于H.264/AVC的各种改进方案被搜集起来，并组成了一个名为KTA(Key Technical Areas)的编码器。KTA算是“下一代视频编码”方案的一个雏形，并在随后的几年时间内不断沉淀各种改良算法。2009年6月，在MPEG举行的call-for-evidence活动中，历经6年锤炼的KTA被证明：针对高分辨率的视频源，KTA能够将H.264/AVC的压缩性能提高约30%。

　　2010年1月，被“30%提升”激励的委员们终于挺直腰杆宣布组建联合工作组，此次的名号是JCT-VC(Joint Collaborative Team on Video Coding)，同时向全世界征集编码方案。这种仪式感极强的动作有个术语，称为CFP(Call for Proposals)。同年4月，JCT-VC举行了第一次工作组会议，共27份编码方案参与了激烈的角逐。为了全面评估这些编码方案，JCT-VC共指定了5类测试视频源，涵盖了从WQVGA到720P/1080P HD直至Ultra HD在内的各种图像分辨率以及各种典型的图像帧率和码率。另外，JCT-VC还将所有的测试序列分为两类：其一为Random Access，允许参与评估的编码方案使用长度为8的GOP进行图像排列，其典型场景是数字电视广播应用;另一为Low Delay，此时禁止图像编码顺序重排列，其典型场景是对时延有严格限制的实时会话业务应用。　

经过细致评估分析，最后发现：对比H.264/AVC，在基于几乎相同的主观图像质量的前提下，参与测评方案中的佼佼者能够节省40%~60%的码率!换言之，对比现有的H.264/AVC，新提出的编码提案能够将压缩效率提高一倍左右。面对这个祥和愉快的结论，JCT-VC无法淡定了，于是“下一代视频编码”工作正式启动，并冠名为HEVC(High Efficiency Video Coding)。与此同时，相应的编码提案被纳入TmuC(Test Model under Consideration)，成为HEVC最终方案的候选，在随后的时间内被不断测试、挑战和改进。

　　H.265的高明之处

　　从编码框架上来说，H.265仍然沿用了H.264的混合编码框架，但是每个技术细节都有提升或改进。比较大的改进是：1)在图像分块以及运动补偿、变换方面，支持更大尺寸和种类;2)更多帧内/帧间预测、运动矢量预测和变换模式;3)增加环内采样自适应滤波SAO;4)提供TILE模式，更好地支持并行处理等。这些新技术的应用，不但有效地提高压缩性能，也为各种处理器平台的有效实现扩展了空间。

　　H.265为何优于H.264

　　比起H.264/AVC，H.265/HEVC提供了更多不同的工具来降低码率，以编码单位来说，H.264中每个宏块(marcoblock，MB)大小都是固定的16x16像素，而H.265的编码单位可以选择从最小的8x8到最大的64x64。信息量不多的区域(颜色变化不明显，比如车体的红色部分和地面的灰色部分)划分的宏块较大，编码后的码字较少，而细节多的地方(轮胎)划分的宏块就相应的小和多一些，编码后的码字较多，这样就相当于对图像进行了有重点的编码，从而降低了整体的码率，编码效率就相应提高了。同时，H.265的帧内预测模式支持33种方向(H.264只支持8种)，并且提供了更好的运动补偿处理和矢量预测方法。

　　反复的质量比较测试已经表明，在相同的图象质量下，相比于H.264，通过H.265编码的视频码流大小比H.264减少大约39-44%。由于质量控制的测定方法不同，这个数据也会有相应的变化。通过主观视觉测试得出的数据显示，在码率减少51-74%的情况下，H.265编码视频的质量还能与H.264编码视频近似甚至更好，其本质上说是比预期的信噪比(PSNR)要好。这些主观视觉测试的评判标准覆盖了许多学科，包括心理学和人眼视觉特性等，视频样本非常广泛，虽然它们不能作为最终结论，但这也是非常鼓舞人心的结果。

　　目前的HEVC标准共有三种模式：Main、Main 10和Main Still Picture。Main模式支持8bit色深(即红绿蓝三色各有256个色度，共1670万色)，Main 10模式支持10bit色深，将会用于超高清电视(UHDTV)上。前两者都将色度采样格式限制为4：2：0。预期将在2014年对标准有所扩展，将会支持4：2：2和4：4：4采样格式(即提供了更高的色彩还原度)和多视图编码(例如3D立体视频编码)。

　　事实上，H.265和H.264标准在各种功能上有一些重叠。例如，H.264标准中的Hi10P部分就支持10bit色深的视频。另一个，H.264的部分(Hi444PP)还可以支持4：4：4色度抽样和14比特色深。在这种情况下，H.265和H.264的区别就体现在前者可以使用更少的带宽来提供同样的功能，其代价就是设备计算能力：H.265编码的视频需要更多的计算能力来解码。目前已经有支持H.265解码的芯片发布了——美国博通公司(Broadcom)在今年1月初的CES大展上发布了一款Brahma BCM7445芯片，它是一个采用28纳米工艺的四核处理器，可以同时转码四个1080P视频数据流或解析分辨率为4096×2160的H.265编码超高清视频。

　　H.265视频编码标准落地 配套产品“出炉”

　　9月初，海康威视推出了业界支持H.265 4K NVR产品;中兴力维也在近日发布H.265高清网络摄像机。4K带来的高清时代，需要H.265的支持。

　　据了解，2014年9月份，海康威视推出了4K NVR，其具有超强的显示和解码性能。支持H.265编解码。据悉，海康威视4K NVR，是4K IPC强大的后盾，支持4K 显示，解决了4K监控存储和显示输出的瓶颈，和4K IPC、4K显示器一起形成完美的超清解决方案，将成为4K超清监控的中流砥柱，促进4K监控的普及和应用。

　　2014年9月12日，中兴力维在南京举行的新品发布会上，推出了支持H.265/HEVC的高清网络摄像机7200系列。据中兴力维执行董事长祝金程表示，高清网络摄像机7200系列可以提供高清图像，同时又降低了存储要求，节省了在存储设备上的投资;甚至还能降低码流，从而降低带宽和网络方面的压力;在低照度、光线极差的环境下，仍然可以输出高清图像。这就是支持H.265的高清网络摄像机7200系列的“三低”特征。

　　新近发布的苹果手机iphone 6和iphone 6 plus均支持H.265视频编解码。从iPhone的技术规格页面上可以看出，iPhone 6和iPhone 6 Plus都会利用下一代H.265技术——也就是高效率视频编码(HEVC)——来对通过蜂窝网络进行的FaceTime视频通话进行编码和解码。

　　2014年9月，全球视频监控半导体解决方案的领导者海思公司将基于H.265/HEVC标准推出业界第一颗高清网络摄像机处理器Hi3516A。该Hi3516A处理器采用海思先进的H.265/HEVC算法，改善了H.265/HEVC标准固有的图像振铃效应，极大减少了大运动场景下的拖尾现象和块效应，并在保持与H.264/AVC相同的图像画质下编码码流降低50%。同时，Hi3516A灵活的高性能ARM Cortex-A7处理器配合海思第二代智能分析协处理单元IVE2.0，提供车牌识别、周界防范、人脸识别等多达40种智能分析应用。

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