H.265，超高清的好伴侣

    【CPS中安网 cps.com.cn】 前端摄像机分辨率从最初的CIF，一直发展到现在的4K，存储和带宽成本也在持续攀升。高清，我所欲也，低成本，亦我所欲也;二者能否兼得?在我们思考如何有效降低存储成本的同时，将不得不面对一个两难的抉择，是要图像质量还是数据量?显而易见，当我们追求图像质量时，必须增加数据量。当我们想降低数量时，必须牺牲图像质量。那么，如何打破这个僵局?唯一有效的途径，就是提升编码效率。

　　H.265，超高清的好伴侣

　　视频编码技术在视频监控技术体系中的地位不亚于材料科学在航空技术体系中的地位，它是一门基础学科。这意味着两件事，第一，它的进展非常缓慢;第二，如果取得进展，那么将会带来革命性的变化。

　　2003年，海康威视首次将H.264引入视频监控应用，至今已经超过十年。H.264的编码效率潜力已经挖掘殆尽。今天我们必须用新的思路或新的技术来突破这个天花板。而国际标准的H.265方案是一种整体升级的方案，必须更换前后端硬件产品才能实现。H.265相对于前面几代编码算法来说，在编码效率上有着质的提升，同样图像质量下，H.265的码率只有H.264的一半，是H.264当之无愧的“继承者”。因此，H.265一定是未来超高清时代的主流编码算法，是一种“一步到位”的解决方案。

　　而基于国际标准的H.265算法，各个厂家可以运用一些自主专利算法，进一步降低码率。比如海康威视自主研发的编解码应用技术Smart 265就是一项比H.265效率更高的编码技术，相比较H.265，在运动目标不多的场景，例如像室内茶水间、楼梯间等场景下，Smart 265可以降低70%左右的码率;在运动目标部分时间较多，比如不太繁忙的道路上，码率可以降低50%倍以上;而如果场景中不断有目标大幅运动，像火车站等场景下，也会比原有的H.265效果要好。

　　图2 不同场景下1080P摄像机码率对比(H.265 VS Smart 265)

　　图3 同一场景下不同编码方式1080p摄像机录像文件大小实测比较

　　如果把Smart 265技术运用在最新的H.265 4K超高清设备上，超高清的码率将得到大幅度的降低，超高清的带宽和存储成本也会更低。

　　H.265，下一代主流编码

　　那么，从技术原理上来看，H.265相比较H.264到底有哪些技术上的优势，使其成为超高清时代的主流编码方式呢?

　　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4 H.264编码分开示意图

 图5 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：

　　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。

　　H.265，配套产品需齐全

　　从表面上看，H.265确实解决了超高清产品的存储和带宽的成本问题，但要想真正将这套系统应用起来，各厂家就必须要给用户提供一站式的超高清&H.265产品解决方案。即从最前端的支持H.265编码的超高清摄像机，到可以存储H.265编码的NVR/CVR，能够解码H.265的解码器/视频综合平台，以及能够接入H.265视频流的中心平台软件。只有这样，超高清和H.265才能真正结合，真正得到项目的实际应用。

　　结语

　　高清，我所欲也，低成本，亦我所欲也，当超高清遇见H.265，鱼与熊掌可以兼得。因此，我们有理由相信，H.265必然会成为超高清时代的主流编码方式。（作者单位：海康威视）

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