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。

　　二、H.265全国产化安防应用

　　前面提到，如今安防走在更高清的路上，H.264等标准已经不再适用于更高清的安防规则了，安防需要有相比H.264更高效的视频压缩标准来进一步推动视频高清化的发展，H.265呼之欲出。作为新一代的视频压缩标准，H.265最明显的特点是：压缩性能相比当前视频压缩标准H.264提升了一倍。当然，H.265的好处远不止4K更高清监控这么简单，举个例子，在平安城市中炙手可热的1080p全高清布控，H.264标准下1080p需要4M以上的码率来保证图像质量，若采用H.265视频压缩标准，则1080p仅需1~2M左右码流，而整个存储池就可以缩减为原来的一半，或者可以布控比原来多1倍以上的高清点位，又或者可以延长一倍以上的存储时间。

　　说到这里，大家肯定会问，H.265能否具备民族化的产业应用和视频信息安全上的保证?由于安防行业的特殊性，这也是用户最关心的两个方面。

　　我们先来了解一下H.265应用到安防领域中各环节厂家起到的作用，可以用文字的发展应用来类比。前期是标准的制定，主要由JCT-VT主导，这个过程有点像字典的编写;然后芯片厂家使用H.265这本视频压缩标准字典，以不同的行文风格(芯片算法)，写出一篇篇文章(压缩码流)，这是实现层;到了应用层，更多的掌握在视频监控厂家手里，他们更多的作用是H.265文章的收集者，经过排版、优化做成各式书籍(产品)，对外进行产品化销售。由国际标准组织ISO和国际电信联合会ITU联合小组JCT-VT指定的H.265，集合了中美韩日等多国大学、企业、研究所等组织的顶尖技术力量，则可以视为目前定义最精确、效率最高的全球通用字典。

　　从产业链应用层来看，H.265可以实现全国产化。在底层应用方面，国内部分方案提供商已经陆续推出了基于H.265编码算法的压缩芯片，而华为等中国企业拥有相当一部分H.265核心专利，是该标准的主导者之一，华为海思即将推出业界第一颗基于H.265标准的高清网络摄像机处理器Hi3516A。与此同时，国内的安防厂商也在积极地推动着H.265视频标准的发展，基于H.265方案的编解码设备陆续发布。再来看H.265的产品应用，目前国内安防厂家基本都具备了产品化的研发实力，包括以海康威视等企业为代表的厂家都相继推出了支持H.265的产品。所以说，不论从芯片还是到产品，H.265均可做到国产化。

　　再来看安防行业最关注的信息安全问题，这就涉及到数据的加密。说到底，数据加密其实是和视频压缩标准不同范畴的两种技术。视频压缩标准的核心是用尽量少的数据量来精确定义所承载的视频信息，提高数据压缩性能，数据的安全性则由加密来保证。这一关系同样可以用字典文字来类比。采用不同的视频压缩算法，好比利用不同的字典来写文章。只要是“标准化”的字典或视频压缩标准，对信息的表述就必须有清晰的定义，好比中文和英文都能被人读懂，没有信息安全方面的差异。写出来的文字信息如果希望安全，则需要在存储或传输的时候进行加密，例如在传输信道上加密加扰，存储数据设置密码，控制访问权限等。同样的，视频监控的信息安全与否，取决于安防系统的数据传输方式、权限管理方案、密码保护方法，与视频压缩标准无关。在加密和标准层面上，目前国内大型安防厂家基本都已经具备了完善的安全加密实力。举例来说，目前安防炙手可热的云储存技术，大家最关心的问题也是信息安全问题，以海康威视为例，海康威视云储存就提供了可靠的安全加密保障，在很多项目上均有大规模运用。在很多平安城市级的项目中，数据安全更是人们关心的问题，目前主流的监控厂家均具备加密开发实力，并且这种加密机制也做得相当完善。

　　三、H.265引领安防新标准

　　从前面两个维度来看，华为海思等芯片企业、海康威视等安防企业，都在投入H.265的研究，从而极大推进了H.265在安防领域的应用，使得H.265具备了极大的国产化应用优势。同时，由于H.265标准是在H.264标准的基础之上逐步发展起来的，可向下兼容H.264，结合H.264在视频应用领域的主流地位可以预测出H.265标准在未来具有广大的发展前景。

　　可以想象，在未来的很长一段时间里，H.265新标准必将引领安防的主流，H.265的民族化发展又恰好顺应了这一趋势。

　　参考文献：

　　[1].Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards — Including High Efficiency Video Coding (HEVC), Jens-Rainer Ohm, Gary J. Sullivan, etc. IEEE Trans. VOL.22, NO.12, December 2012.

　　[2].Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard, Gary J. Sullivan, Jens-Rainer Ohm, etc. IEEE Trans. VOL.22, NO.12, December 2012.

　　[3].Philippe Hanhart, Martin Rerabek, Francesca De Simone, and Touradj Ebrahimi, Subjective quality evaluation of the upcoming HEVC video compression standard, SPIE 2012.

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