H.265視頻編碼技術(shù)在天氣實(shí)景觀測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

施蔚然 高 攀 袁 偉

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H.265視頻編碼技術(shù)在天氣實(shí)景觀測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

施蔚然 高 攀 袁 偉

福建省氣象信息中心

在視頻監(jiān)控產(chǎn)品經(jīng)歷了模擬時(shí)代、數(shù)字時(shí)代、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展過(guò)程后，現(xiàn)今已經(jīng)進(jìn)入了高清時(shí)代，用戶對(duì)視頻監(jiān)控產(chǎn)品的要求也在不斷提高，給現(xiàn)有視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)了越來(lái)越大的碼流挑戰(zhàn)。該文對(duì)H.265視頻編碼的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，在天氣實(shí)景觀測(cè)系統(tǒng)中采用1080p高清球機(jī)和最新的H.265編碼技術(shù)，并與H.264編碼視頻進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻和節(jié)省存儲(chǔ)空間。

H.264 H.265 高清視頻 實(shí)景觀測(cè) 視頻編碼

1 概述

隨著多媒體技術(shù)、數(shù)字圖像處理及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控進(jìn)入高清時(shí)代，模擬攝像機(jī)已無(wú)法滿足氣象部門(mén)全天候天氣實(shí)況監(jiān)測(cè)的需求，高清攝像機(jī)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)天氣實(shí)況、氣象探測(cè)環(huán)境和天氣過(guò)程實(shí)時(shí)觀測(cè)的需求，尤其在災(zāi)害性天氣來(lái)臨時(shí)，為預(yù)報(bào)和公共氣象服務(wù)部門(mén)提供及時(shí)服務(wù)。

視頻編碼是各類(lèi)視頻應(yīng)用的核心，面對(duì)視頻應(yīng)用多樣化和高清化的挑戰(zhàn)，“高清”給現(xiàn)有視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)了越來(lái)越大的碼流挑戰(zhàn)?！案咔濉弊钤鐏?lái)源于數(shù)字電視領(lǐng)域，美國(guó)電影電視工程師協(xié)會(huì)提出了高清電視（HDTV）標(biāo)準(zhǔn)，分辨率需達(dá)到720p以上。H.264是ITU-T和ISO兩個(gè)組織聯(lián)合組建發(fā)布，是一套數(shù)字視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，也稱作MPEG-4 AVC(Advanced Video Codec，高級(jí)視頻編碼)，因其可以得到比之前其他編碼標(biāo)準(zhǔn)更高的視頻質(zhì)量和更低的碼率，而得到了人們的認(rèn)可，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)流媒體數(shù)據(jù)、各種高清晰度電視廣播以及衛(wèi)星電視廣播等領(lǐng)域。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于2013年發(fā)布了新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.265/HEVC，標(biāo)準(zhǔn)全稱為高效視頻編碼(High Efficiency Video Coding)，從編碼框架上來(lái)說(shuō)，H.265仍然沿用了H.264的混合編碼框架，保留原來(lái)的某些技術(shù)，同時(shí)對(duì)一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)，以提高圖像分辨率、降低帶寬需求和節(jié)省存儲(chǔ)空間。

2 H.265標(biāo)準(zhǔn)介紹

2.1 編碼單位

H.264中，每個(gè)宏塊(marcoblock，MB)大小都是固定的16×16像素，在更高分辨率下，單個(gè)宏塊所表示的圖像內(nèi)容信息大大減少，導(dǎo)致對(duì)高清視頻的壓縮效率明顯降低； H.265/HEVC編碼單位可以選擇從最小的8×8到最大的64×64。信息量不多的區(qū)域(顏色變化不明顯，比如天空的灰色部分)劃分的宏塊較大，編碼后的碼字較少，而細(xì)節(jié)多的地方(細(xì)節(jié)變化較多，比如大樓部分)劃分的宏塊就相應(yīng)小和多一些，編碼后的碼字較多，這樣就相當(dāng)于對(duì)圖像進(jìn)行了有重點(diǎn)的編碼，這個(gè)過(guò)程在H.265上可以自適應(yīng)識(shí)別實(shí)現(xiàn)，從而降低了整體的碼率，提高了編碼效率。

2.2 幀預(yù)測(cè)編碼

由于分辨率的提高，表示同一個(gè)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)矢量幅值也將大大增加，H.264編碼方式中用來(lái)對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行預(yù)測(cè)以及編碼的壓縮率也將逐漸降低。H.265的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式支持33種方向(H.264只支持8種)，并且提供了更好的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理和矢量預(yù)測(cè)方法；還引入了全新的SAO(Sample Adaptive Offset)參考幀補(bǔ)償技術(shù)，從而提高幀間預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

2.3 運(yùn)算量

壓縮率較高的編碼技術(shù)往往要求計(jì)算復(fù)雜度越高，對(duì)設(shè)備的運(yùn)算處理能力也要求越高。H.265編碼壓縮效率比H.264提高1倍，其代價(jià)是計(jì)算量的成倍增加，要求設(shè)備的計(jì)算能力更高。H.265編碼需要增加較多的編碼模式，并從中擇優(yōu)選取，增加了運(yùn)算量；64×64像素圖像塊的保存需要更多的緩沖區(qū)；在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、變換量化、采樣自適應(yīng)濾波等方面的改進(jìn)，也需要更多的硬件資源。但是針對(duì)H.265的更高效算法以及硬件處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以有效控制和降低運(yùn)算復(fù)雜度。在并行實(shí)現(xiàn)方面，H.265也采用了WPP (Wavefront Parallel Processing)和Tile技術(shù)，能夠充分發(fā)揮當(dāng)前主流處理器的多核并行能力，有效提高壓縮性能。

2.4 編碼壓縮

H.265引入了圖像塊自適應(yīng)四叉樹(shù)劃分，并采用一系列變尺度的圖像紋理特征自適應(yīng)編碼技術(shù)，較大幅度提升了圖像平坦區(qū)域的壓縮能力，可以在同樣的圖像質(zhì)量下，大幅降低壓縮碼率。圖1是以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試序列Kristen and Sara（720P60）和Kimono1（1080P24）所得的結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)表示碼率，縱坐標(biāo)表示峰值信噪比(PSNR)，圖像客觀質(zhì)量指標(biāo)，各條曲線為各種常見(jiàn)的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)測(cè)試，在1080P分辨率下，H.265相比H.264碼率降低一半左右，并且分辨率越高，優(yōu)勢(shì)越顯著。通過(guò)圖片和實(shí)時(shí)視頻的質(zhì)量比較測(cè)試表明，在相同的圖象質(zhì)量下，相比于H.264，通過(guò)H.265編碼的視頻大小將減少大約39%～44%。由于質(zhì)量控制的測(cè)定方法不同，這個(gè)數(shù)據(jù)也會(huì)有相應(yīng)的變化。以目前主流的分辨率為例，在1080p分辨率下，H.265相比H.264碼率降低40%～50%，在720p下降低30%～40%，這也就意味著，H.264標(biāo)準(zhǔn)下，1080p需要4M以上的碼率來(lái)保證圖像質(zhì)量，若采用H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，則1080p僅需1~2M左右碼流。此外，隨著分辨率的提升，H.265碼率也會(huì)降低更多。

3 H.265高清視頻編碼技術(shù)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

天氣實(shí)景觀測(cè)系統(tǒng)由前端高清球機(jī)、CVR存儲(chǔ)、高清解碼器和監(jiān)控管理平臺(tái)等設(shè)備組成。借助已建的省、市、縣氣象寬帶專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)集中式管理與分布式部署相結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)。

前端采用1080P高清球機(jī)和最新H.265編碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻、圖像抓拍和視頻錄像；通過(guò)解碼器將前端網(wǎng)絡(luò)視頻信號(hào)解碼輸出上電視墻，實(shí)現(xiàn)省級(jí)和分中心的天氣實(shí)況視頻單畫(huà)面和多畫(huà)面實(shí)時(shí)圖像瀏覽；通過(guò)監(jiān)控管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)前端設(shè)備、分控中心、總控中心的集中監(jiān)控和管理。

圖2 流媒體存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

CVR ( Cloud Video Recorder ) 視頻云存儲(chǔ)設(shè)備是集編碼設(shè)備管理、錄像管理、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功能為一體的視頻專用存儲(chǔ)設(shè)備。即把錄像功能和播放功能嵌入到存儲(chǔ)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)流直接寫(xiě)入存儲(chǔ)，或通過(guò)流媒體轉(zhuǎn)發(fā)寫(xiě)入存儲(chǔ)。平臺(tái)和客戶端可以直接從存儲(chǔ)中點(diǎn)播、下載。

3.2 系統(tǒng)功能

監(jiān)控管理平臺(tái)支持C/S和B/S架構(gòu)，提供圖形化管理界面。通過(guò)客戶端和瀏覽器可以實(shí)時(shí)預(yù)覽前端氣象觀測(cè)站的天氣實(shí)況，對(duì)攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程云臺(tái)控制，實(shí)時(shí)視頻、定時(shí)圖像抓拍、視頻存儲(chǔ)和查詢；通過(guò)設(shè)置預(yù)置點(diǎn)功能，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)按需自動(dòng)轉(zhuǎn)到預(yù)置點(diǎn)；支持多畫(huà)面設(shè)置、全屏顯示、圖像抓拍、輪巡監(jiān)控、局部放大、中心定位等。系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能，管理人員可根據(jù)不同的權(quán)限對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置及監(jiān)控，可對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能，提高設(shè)備維護(hù)效率。

為了實(shí)現(xiàn)集約高效的管理，系統(tǒng)平臺(tái)具有較好的兼容性，以視頻監(jiān)控系統(tǒng)為核心，同時(shí)把氣象觀測(cè)要素、安全防范等系統(tǒng)整合進(jìn)來(lái)，并把各系統(tǒng)有限關(guān)聯(lián)起來(lái)，增加系統(tǒng)的集約性和高效性，實(shí)現(xiàn)集中控制的目的。

將氣象觀測(cè)儀器采集的溫度、氣壓、濕度、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速等傳感器信號(hào)或信息接入系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)氣象信息在實(shí)時(shí)畫(huà)面的直觀展示，便于用戶及時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r有定量和定性的了解；同時(shí)通過(guò)手機(jī)APP軟件，用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)站天氣實(shí)況視頻的隨時(shí)隨地瀏覽。

3.3 兩種編碼視頻效果對(duì)比

設(shè)置前端攝像機(jī)傳輸碼流，1920×1080(HD1080P)，H.265編碼，采用變碼率，視頻碼流上限(Mb)=2048，存儲(chǔ)≈19.0G/天，視頻圖像見(jiàn)圖3，占用存儲(chǔ)空間見(jiàn)圖5。

設(shè)置前端攝像機(jī)傳輸碼流，1920×1080(HD1080P)，H.264編碼，采用變碼率，視頻碼流上限(Mb)=4096，存儲(chǔ)≈23.9G/天，視頻圖像見(jiàn)圖4，占用存儲(chǔ)空間見(jiàn)圖5。

通過(guò)主觀視覺(jué)的反復(fù)測(cè)試顯示，在碼率減少的情況下，H.265編碼視頻的質(zhì)量比H.264編碼視頻質(zhì)量更好，即視頻信噪比更好。

圖3 H.265視頻截圖

圖4 H.264視頻截圖

圖5 H.265/ H.264視頻錄像占用存儲(chǔ)空間對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

作為新一代的視頻壓縮技術(shù)，H.265使用先進(jìn)的視頻編碼技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復(fù)雜度，相比之前的歷代標(biāo)準(zhǔn)，可以在同樣的圖像質(zhì)量下，大幅降低壓縮碼率，僅需1~2M的帶寬即可播放1080P全高清視頻；此外，H.265在對(duì)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性方面也有顯著提升，可很好地運(yùn)行在Internet等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)條件下，這也使得H.265成為當(dāng)下“最強(qiáng)”視頻壓縮技術(shù)。由于H.265標(biāo)準(zhǔn)是在H.264標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上逐步發(fā)展起來(lái)，可向下兼容H.264。

隨著視頻壓縮率的提高，全高清視頻網(wǎng)絡(luò)播放將不再困難，尤其在通信帶寬有限的衛(wèi)星視頻終端、智能手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備能直接在線播放1080p的全高清視頻；顯示屏高分辨率化，也使H.265將是超高清視頻4k/8k電視的選擇。隨著H.265視頻編碼技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、視頻通信、影音娛樂(lè)等的進(jìn)一步融合，H.265標(biāo)準(zhǔn)在未來(lái)幾年將成為主流，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 萬(wàn)帥，楊付正. 新一代高效視頻編碼H.265/HEVC：原理、標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2] 賈克斌，劉鵬宇. 基于H.264的視頻編碼處理技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2013.

[3] Jens-Rainer Ohm, Gary J. Sullivan, H Schwarz, et al. Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards——Including High Efficiency Video Coding (HEVC)[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems for Video Technology, 2012, 22(22): 1669-1684.

[4] Gary J. Sullivan, Jens-Rainer Ohm, WJ Han, et al. Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems for Video Technology, 2012, 22(12): 1649-1668.