H.265 开创视频压缩新阶段

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　　“H.265”又一次成了安防界的热点话题。H.265标准自2013年被确认，到现在各大企业发布H.265产品，其发展趋势异常火热。究其原因，在于“高清”给现有视频压缩标准带来了越来越大的码流挑战，虽然很多安防厂家都祭出杀招，但4K高清的来袭汹汹，即使现有标准再怎么改头换面也显得愈发无能为力，此时，H.265编解码的发展变得越发重要，相信在不远的将来，支持H.265的产品将会大面积地推出，引领安防高清监控。

　　一、“最强”视频压缩标准

　　H.265标准全称为高效视频编码(High Efficiency Video Coding)，也即HEVC，相较于之前的H.264标准有了相当大的改善。

　　H.265又何以让如此多的行业都青睐有加?故事开始还是需要从H.264说起，H.264也称作MPEG-4 AVC(Advanced Video Codec，高级视频编码)，因其可以得到比其他编码标准更高的视频质量和更低的码率，而得到了人们的认可，被广泛应用于网络流媒体数据、各种高清晰度电视广播以及卫星电视广播等领域。从编码框架上来说，H.265仍然沿用了H.264的混合编码框架，主要包含：帧内预测(intra prediction)、帧间预测(inter prediction)、转换 (transform)、量化 (quantization)、去区块滤波器(deblocking filter)、熵编码(entropy coding)等模块。

　　如今更高清发展愈演强烈，H.264也遇到了瓶颈。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。然而，在更高分辨率下，单个宏块所表示的图像内容信息大大减少，H.264所采用的宏块经过整数变换后，低频系数相似程度也大大提高，出现大量冗余，导致H.264编码对高清视频的压缩效率明显降低;其次，H.264算法宏块个数的爆发式增长，会导致每个编码宏块的预测模式、运动矢量、参考帧索引和量化级等宏块级参数信息占用更多码流资源，在有限带宽中，分配给真正描述图像内容的残差系数信息的可用带宽明显减少了;再有，由于分辨率的提高，表示同一个运动的运动矢量幅值也将大大增加，H.264编码方式的特点是数值越大使用的比特数越多，因此，随着运动矢量幅值的大幅增加，H.264中用来对运动矢量进行预测以及编码的压缩率也将逐渐降低。

　　相比H.264，H.265提供了更多不同的工具来降低码率。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，比如天空的灰色部分)划分的宏块较大，编码后的码字较少，而细节多的地方(细节变化较多，比如大楼部分)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。这个过程有点像“感兴趣区域编码”，针对重要的更多关键细节的部分进行增强划块，无更多关键细节的部分进行简单划块，但是这个过程在H.265上可以自适应识别实现。

图1 H.264编码分开示意图                图2 H.265编码分开示意图

　　总结发现，H.265和H.264主要的技术区别如下：

　　分类H.264H.265

　　编码分块大小范围4x4 ~ 16x168x8 ~ 64x64

　　Intra帧内预测模式最多9种预测模式最多36种预测模式

　　Inter帧间插值模式1/2像素6TAP, 1/4像素2TAP分像素8TAP

　　MVP预测方式空域预测空域和时域预测

　　变换4x4 ~ 8x84x4 ~ 32x32

　　新技术 SAO功能

　　并行化设计 Tile, WPP等

　　可以看到，H.265相比H.264最主要的改变是采用了块的四叉树划分结构，采用了从64x64~8x8像素的自适应块划分，并基于这种块划分结构采用一系列自适应的预测和变换等编码技术。除此之外，还引入了全新的SAO(Sample Adaptive Offset)技术，SAO是一种参考帧补偿技术，从而提高帧间预测的准确度。同时，在并行实现方面，H.265也采用了WPP (Wavefront Parallel Processing)和Tile技术，能够充分发挥当前主流处理器的多核并行能力。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。

　　反复的比较测试已经表明，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。以目前主流的分辨率为例，H.265在1080p分辨率下相比H.264码率降低40%~50%，在720p下相比降低30%~40%，这也就意味着，1080p全实时只需要1.5~2M左右的码率。如图3所示，图中横坐标表示码率，纵坐标表示PSNR(峰值信噪比)，图像客观质量指标，各条曲线为各种常见的视频压缩标准。此外，随着分辨率的提升，H.265码率降低也会更多。如图4中，针对4K高清在行人、交通等场景下的测试也表明，H.265在4超高清分辨率下也可获得相比H.264降低50%~60%的码率。

　　图3 1080P各个编码器编码性能比较

　　图4 4K分辨率H.265与H.264编码器编码性能比较

　　由此看来，无论在功能还是性能上，H.265都几乎对H.264有着全面性的进步，是针对当前视频压缩标准的全面超越，这也使得H.265无可争议的成为了当下“最强”视频压缩技术。

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