H.265在监控领域的发展及应用

    【CPS中安网 cps.com.cn】视频编码技术是监控行业的基础技术，编码技术的变革和发展决定了行业的发展方向。2013年发布的H.265标准是最新一代视频编码标准，H.265标准在压缩性能上比H.264提高了一倍左右，是监控行业最新的核心主流编码技术，极大的推动了行业的进步。

　　一、H.265技术简介

　　H.265是ITU-T VCEG 继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。具体的研究内容包括：提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H.264由于算法优化，可以以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送;H.265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P(分辨率1280*720)普通高清音视频传送。

　　在编码技术方面，H.265仍然采用标准的基于块的混合编码框架，但是每个技术模块相对H.264都有提升和改进。基于块的混合编码框架包括帧内预测、帧间预测、变换编码以及熵编码技术，该框架成为了后续视频编码标准的基础。

　　二、H.265的优势

　　作为新一代视频编码标准，H.265仍然属于预测加变换的混合编码框架。然而，相对于H.264，H.265 在很多方面有了革命性的变化。H.265的技术优势有：

　　1、灵活的编码结构

　　H.265与H.264最大的差异在于编码块的划分，H.264采用16x16的宏块，而H.265中，将宏块的大小从H.264的16×16扩展到了64×64，以便于高分辨率视频的压缩。同时，采用了更加灵活的编码结构来提高编码效率，包括编码单元(Coding Unit)、预测单元(Predict Unit)和变换单元(Transform Unit)。编码单元增大，能更好地利用图像相邻像素信息，对编码效率的提升贡献很大。

　　其中编码单元类似于H.264中的宏块的概念，用于编码的过程，预测单元是进行预测的基本单元，变换单元是进行变换和量化的基本单元。这三个单元的分离，使得变换、预测和编码各个处理环节更加灵活，也有利于各环节的划分更加符合视频图像的纹理特征，有利于各个单元更优化的完成各自的功能。H.265和H.264编码能力对比见下图：

　　2、灵活的块结构——RQT(ResidualQuad-tree Transform)

　　RQT是一种自适应的变换技术，这种思想是对H.264中ABT(Adaptive Block-size Transform)技术的延伸和扩展。在帧内预测模块中，H.265进一步丰富预测模式，将H.264原来最多9种方向预测扩展到35种;在帧间预测模块，H.265改进了亚像素插值技术以及运动矢量预测技术;熵编码模块中，H.265抛弃了性能较低的CAVLC技术，只采用CABAC技术。对于帧间编码来说，它允许变换块的大小根据运动补偿块的大小进行自适应的调整;对于帧内编码来说，它允许变换块的大小根据帧内预测残差的特性进行自适应的调整。大块的变换相对于小块的变换，一方面能够提供更好的能量集中效果，并能在量化后保存更多的图像细节，但是另一方面在量化后却会带来更多的振铃效应。因此，根据当前块信号的特性，自适应的选择变换块大小，可以得到能量集中、细节保留程度以及图像的振铃效应三者最优的折中。

　　3、采样点自适应偏移(SampleAdaptive Offset)

　　SAO在编解码环路内，位于Deblock之后，通过对重建图像的分类，对每一类图像像素值加减一个偏移，达到减少失真的目的，从而提高压缩率，减少码流。采用SAO后，平均可以减少2%~6%的码流,而编码器和解码器的性能消耗仅仅增加了约2%。

　　4、自适应环路滤波(AdaptiveLoop Filter)

　　ALF在编解码环路内，位于Deblock和SAO之后，用于恢复重建图像以达到重建图像与原始图像之间的均方差(MSE)最小。ALF的系数是在帧级计算和传输的，可以整帧应用ALF，也可以对于基于块或基于量化树(quadtree)的部分区域进行ALF，如果是基于部分区域的ALF，还必须传递指示区域信息的附加信息。

　　5、并行化设计

　　当前芯片架构已经从单核性能逐渐往多核并行方向发展，因此为了适应并行化程度非常高的芯片实现，H.265引入了很多并行运算的优化思路，用垂直和水平的边界将图像划分为一些行和列，划分出的矩形区域为一个Tile，每一个Tile包含整数个LCU(Largest Coding Unit)，Tile之间可以互相独立，以此实现并行处理。除了模块性能改进，H.265标准在制定时考虑到多核化、并行化的趋势，在标准中增加了并行处理技术WPP、Tile。WPP能够让H.265的编码、解码按图像行并行，而Tile技术则按照图像分块并行。WPP和Tile都是可选配置，并不是在每个码流中都支持，而且两者只能开启一个。

　　三、H.265技术在监控产品上的发展趋势

　　1、H.265和高清化的结合

　　今天的视频监控领域面临着多方面的挑战和技术难题。随着摄像机分辨率的不断增加，出现了更大的百万级像素、全景鹰眼摄像机、甚至是千万级像素，比如：8MP、12MP。同时随着互联网技术的发展，远程的视频预览观看成为了主流的需求，远程观看这样的大分辨率视频而带来了巨大的网络传输压力，同时超高清分辨率的监控视频存储也加大了存储压力。这几个方面的困境已无法通过H.264进行突破，H.265相比H.264，对高清化视频更高的压缩率可极大的缓解这一压力。比如，对3MP分辨率的H.265网络摄像机，2Mbps的H.265的码流解码效果和4Mbps的H.264图像效果相当。相比H.264，对视频监控网络方案实施和工程建设来说，能够节省许多预算开支。

　　2、H.265和智能算法的结合

　　除了高清化的趋势，还有一种趋势是智能化和H.265编码的有机配合。从算法的角度理解，视频压缩算法中也使用了大量的智能分析算法，视频压缩的根本是根据对视频图像场景的理解，有效的剔除时间冗余、空间冗余、概率冗余等，在保留信息的前提下，达到压缩的目的，以尽可能的接近视频图像信息熵。若智能分析算法和H.265编码器更大程度的结合使用，更能进一步降低码率，提升图像质量。目前H.265还在标准的发展和推广阶段，智能化算法的优化是推动H.265技术进一步发展和突破的助力。

　　3、H.265和4K的结合

　　H.264让1080p风暴席卷了全球，但却再也无力引领4K潮流。H.264引以为豪的高压缩率在4K的庞大体积中显得是如此无能力，牵引4K乃至8K视频的重担，就落在H.264的继任者——H.265身上了。4K技术是视频领域的一个突破，其更为宽广的色域、更为高清的分辨率给了人们更为丰富逼真的视觉体验，但对于视频编码处理来说4K是一个巨大的压力和挑战，但H.265以其超高的视频压缩率和智能化实现了和4K的完美结合，更为宽广的宏块和并行处理速度呈现了纤毫毕现的细腻画质，丰富绝伦的图像细节，流畅自然的播放效果。高清和智能实际是需求与被需求的关系，高清产生的海量数据需要智能协助处理，智能分析需要清晰的、高质量的图像支撑。清晰度的提升，意味着图像细节更丰富，同时也更意味着取证、调查、分析的数据更可靠。

　　针对这样的行业发展趋势，主流的安防行业厂商都加快了H.265技术的研发和产品的推出，天地伟业基于H.265技术推出了摄像机、硬盘录像及及解码拼控云主机等一系列全方案覆盖的监控产品，可以实现H.265编码的采、传、存、显、控一体化。H.265的超星光摄像机实现了24小时的全彩监控，并且在超高画质的同时降低了网络传输带宽;基于H.265编解码技术开发的硬盘录像机相比H.264编码压缩了一倍的码率，大大降低了存储压力和带宽压力，提高硬盘的使用时间，降低了客户实际的使用成本;H.265的解码拼控云主机更是引领解码器的发展潮流，超高清的4K输出，可以实现无极缩放和开窗漫游，并且可以进行大屏的级联拼控，最多可达96屏输出，同时支持小间距屏的拼接输出，可以满足大型展示、监控终端的解码上墙需求，是H.265家族的明星产品。

　　四、总结

　　由于开发的难度以及对于硬件支持的高要求使得H.265的发展受到了一定的阻碍，但安防行业编解码未来的发展趋势是更高的压缩性，更高清的视频效果，虽然今天H.264仍然占据了网络视频码流的80%左右，但是未来的十年间，H.265一定会以自身的优势成为绝对的核心主流占据绝大多数的市场，同时随着互联网时代的推动，H.265的发展和推广会更快速，更广泛。