H.265在安防高清的應(yīng)用價(jià)值分析

□ 文 /呂凈

安防行業(yè)的突飛猛進(jìn)，人們對(duì)視頻監(jiān)控有了更高的追求，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，高清化、智能化依然是視頻監(jiān)控發(fā)展的主旋律。高清化的普及，使高清帶來(lái)的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析問(wèn)題變得更加引人注目，如何解決超高清與低存儲(chǔ)之間的矛盾，讓客戶體驗(yàn)進(jìn)一步提升，成為安防行業(yè)面臨的主要問(wèn)題。隨著大安防時(shí)代的到來(lái)，4K和H.265編碼技術(shù)相繼問(wèn)世，使安防行業(yè)“高分辨率化”的腳步向前邁進(jìn)。

4K超高清的發(fā)展需求

人們對(duì)高清的追求是永無(wú)止境的，為獲得更高的清晰度和更豐富的畫(huà)面細(xì)節(jié)，4K技術(shù)因運(yùn)而生。4K因其橫向解析度約為4000像素而得名，其分辨率主要有3840*2160和4096*2160兩種規(guī)格，4K分辨率相當(dāng)于1080P的4倍，720P的8倍。4K技術(shù)畫(huà)面更加自然清晰，畫(huà)面細(xì)節(jié)更加豐富，在相同清晰度下其覆蓋區(qū)域是1080P攝像機(jī)覆蓋區(qū)域的4倍，所以部署4K攝像機(jī)可以降低成本，節(jié)省點(diǎn)位數(shù)。

但4K發(fā)展的限制是其需要現(xiàn)有H.264編碼下四倍的超高帶寬和存儲(chǔ)空間，基本上超出了大部分網(wǎng)絡(luò)的承受極限，存儲(chǔ)成本大大增加。帶寬、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)建設(shè)成本等發(fā)展限制成為制約行業(yè)快速向全面超高清化發(fā)展的天花板。這個(gè)問(wèn)題，在H.265編碼技術(shù)推出后，得到了很好解決。

H.265編碼技術(shù)特點(diǎn)

為了面對(duì)以上發(fā)展趨勢(shì)，2010年1月，ITUTVCEG和ISO/IEC MPEG聯(lián)合成立JCT-VC了聯(lián)合組織，統(tǒng)一制定H.265下一代編碼標(biāo)準(zhǔn)：HEVC。H.265高效視頻編碼協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)于2013年2月份正式在業(yè)界發(fā)布，確定整個(gè)基本框架結(jié)構(gòu)。H.265保留了H.264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)，以改善碼流、提升編碼質(zhì)量、優(yōu)化延時(shí)與算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)的編碼設(shè)置。

主要研究?jī)?nèi)容包括：提高壓縮效率、提高錯(cuò)誤恢復(fù)能力、減少實(shí)時(shí)的延時(shí)、減少信道獲取時(shí)間和隨機(jī)接入時(shí)間、降低復(fù)雜度，旨在解決有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)高清視頻。

二叉樹(shù)的編碼分隔

隨 著 分 辨 率 的 提 高，H.264的 4×4、8×8、16×16宏塊類型編碼結(jié)構(gòu)會(huì)造成宏塊數(shù)量的爆發(fā)性增長(zhǎng)，宏塊信息的大量冗余。H.265引入了32×32、64×64甚至于128×128的宏塊，靈活多變的宏塊結(jié)構(gòu)可以根據(jù)圖像細(xì)節(jié)的多少采取適當(dāng)?shù)膭澐指袷?，降低冗余的宏塊個(gè)數(shù)，控制用于描述宏塊內(nèi)容的參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)編碼數(shù)據(jù)量的降低。同時(shí)，采用了更加靈活的編碼結(jié)構(gòu)來(lái)提高編碼效率，包括編碼單元、預(yù)測(cè)單元和變換單元。將三個(gè)單元獨(dú)立化，使得各個(gè)處理單元能夠更加優(yōu)化的完成各自的功能，實(shí)現(xiàn)編碼的靈活高效。

豐富的預(yù)測(cè)編碼技術(shù)

H.265的幀內(nèi)預(yù)測(cè)將原有的8種預(yù)測(cè)方向擴(kuò)展為33種，覆蓋整個(gè)180度的范圍，并提供了DC和PLANAL兩種平面預(yù)測(cè)方式，共計(jì)35種預(yù)測(cè)方式，提高了幀內(nèi)預(yù)測(cè)的精度。

幀間預(yù)測(cè)是利用視頻時(shí)間域的相關(guān)性，使用鄰近已編碼圖像像素預(yù)測(cè)當(dāng)前圖像的像素，以達(dá)到有效去除視頻時(shí)域冗余的目的?？沼蛏舷噜彽倪\(yùn)動(dòng)矢量（MV）具有較強(qiáng)的相關(guān)性，H.265利用此特點(diǎn)提出了Merge和AMVP技術(shù)，都使用了空域和時(shí)域MV預(yù)測(cè)思想，通過(guò)建立候選MV列表，增加運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測(cè)值的候選個(gè)數(shù)，選取性能最優(yōu)的一個(gè)作為當(dāng)前預(yù)測(cè)單元的預(yù)測(cè)MV。

高精度的變換方式

H.265使用4種整數(shù)DCT變換，分別為4*4、8*8、16*16、32*32，更高的尺寸可以體現(xiàn)像素間的相關(guān)性，壓縮率更高。H.265的整數(shù)DCT變換通過(guò)與較大的數(shù)相乘來(lái)保留一定的小數(shù)精度，比H264更接近于浮點(diǎn)DCT的值。

采樣點(diǎn)自適應(yīng)偏移

在編解碼環(huán)路內(nèi)的去塊濾波之后引入采樣點(diǎn)自適應(yīng)偏移，SAO濾波的實(shí)質(zhì)就是對(duì)去塊濾波后的重建像素按照不同的模板進(jìn)行分類，并對(duì)每種分類像素進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到減少失真，提高壓縮率，降低碼流的目的。

并行處理

H.265具有多級(jí)的并行處理方式：波前并行處理：解碼時(shí)各行并行處理，次第減少；圖像組級(jí)并行處理：編碼器多線程處理，每次處理一個(gè)GOP；圖像級(jí)并行處理：IP幀為參考幀，但同級(jí)的B幀不會(huì)相互參考，高級(jí)的B幀也不會(huì)參考低級(jí)的B幀，所以可將B幀送給不同的運(yùn)算單元類進(jìn)行處理，使低級(jí)B幀提前解碼完成；獨(dú)立解碼片（Slice）級(jí)并行處理：各片獨(dú)立，并行解碼；獨(dú)立解碼矩形（Tile）級(jí)并行處理：Tile間相互獨(dú)立，并行解碼；樹(shù)形結(jié)構(gòu)塊（CTB）級(jí)并行處理：波前并行處理；熵編碼并行處理：提高了壓縮能力，降低對(duì)上下文存儲(chǔ)的需求。

H.265的研發(fā)難點(diǎn)

芯片層

H.265編碼器在算法的靈活度方面要大大加強(qiáng)了，最典型的是摒棄了以往以16×16固定編碼塊大小的做法，而是采用了更為靈活的編碼塊結(jié)構(gòu)，這種靈活的結(jié)構(gòu)使H.265的運(yùn)算復(fù)雜度較H.264有數(shù)量級(jí)上的增加，需要芯片有更高的運(yùn)算速度，以減少硬件資源占用和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鐘。其次，H.265具有多級(jí)的并行處理方式，需要更多的硬件設(shè)計(jì)技巧和方法。

設(shè)備層

H.265的發(fā)展需要完整生態(tài)環(huán)境支持，涉及到采集、編碼、傳輸、存儲(chǔ)、譯碼顯示各個(gè)方面。首先在編碼階段，需要在低碼率下提供更高清晰度的圖像，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的宏塊劃分，使細(xì)節(jié)還原更貼近真實(shí)；其次是在傳輸及存儲(chǔ)上，必須要對(duì)整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的升級(jí)和維護(hù)，需要能夠傳輸4K信號(hào)的傳輸介質(zhì)，使其支持高分辨率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，同時(shí)，高分辨率顯示技術(shù)的攝像機(jī)對(duì)于NVR、DVR、平臺(tái)服務(wù)器等設(shè)備的要求更高，后端需要更強(qiáng)的解碼能力、更大的存儲(chǔ)空間和更強(qiáng)的處理性能。

H.265的應(yīng)用價(jià)值

高壓縮率

H.265采用多樣的宏塊劃分方式、幀內(nèi)預(yù)測(cè)方向和幀間預(yù)測(cè)技術(shù)，具有更好的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理方式和矢量預(yù)測(cè)方法，編碼更加靈活，編碼數(shù)據(jù)大幅降低。相比H.264，H.265編碼可將碼流降低40～50%，壓縮比達(dá)到400:1，編碼耗時(shí)降低70～80%。

高分辨率

H.265支持4K和8K（8192*4320）超高清分辨率，計(jì)算能力不再受到制約，跟上了顯示屏高分辨率的腳步，使用戶體驗(yàn)得到大幅提升。

存儲(chǔ)便捷

隨著用戶對(duì)安防監(jiān)控中高清視頻的需求越來(lái)越高，所需存儲(chǔ)空間急劇上升。與H.264編碼技術(shù)相比，H.265的高壓縮率可以節(jié)省一半的存儲(chǔ)空間，通過(guò)降低碼流來(lái)為客戶節(jié)省存儲(chǔ)成本。

信息共享

在這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的時(shí)代，各部門(mén)的信息共享尤為重要。原H,264時(shí)代，由于分辨率的限制，各部門(mén)只能獨(dú)立獲取有效數(shù)據(jù)，造成采集點(diǎn)的冗余，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息共享。而H.265的超高清攝像機(jī)，采集視角廣泛，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)業(yè)務(wù)的采集需求，減少同區(qū)域范圍內(nèi)的采集節(jié)點(diǎn)，有效提高了信息共享的效率。

成本降低

無(wú)論是高分辨實(shí)現(xiàn)的采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目降低，還是高壓縮率致使的存儲(chǔ)空間下降，都會(huì)為客戶節(jié)省系統(tǒng)的建設(shè)成本。同時(shí)，在保證畫(huà)面質(zhì)量不變的前提下，H.265的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的明顯降低，對(duì)交換機(jī)的要求不再苛刻，也為用戶節(jié)省了投資成本。

H.265在安防領(lǐng)域的發(fā)展

H.265在安防行業(yè)具有廣泛的發(fā)展前景，已經(jīng)成為2016年安博會(huì)的關(guān)鍵詞，成為安防行業(yè)各大廠商競(jìng)相追逐的對(duì)象，進(jìn)行著一場(chǎng)高清化的行業(yè)變革。不少安防企業(yè)紛紛推出高性能的高清監(jiān)控產(chǎn)品，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的圖像效果，更豐富的監(jiān)控價(jià)值，更便捷的操作管理，更完善的維護(hù)體系。

4K高清視頻技術(shù)的推廣，只推出單一的前端產(chǎn)品無(wú)法滿足客戶的需求，要在“采傳存顯控”各個(gè)環(huán)節(jié)研制出相應(yīng)的4K產(chǎn)品。為順應(yīng)4K高清視頻自適應(yīng)編解碼的需求，為客戶提供一套完整的4K解決方案，天地偉業(yè)前端推出了H.265星光級(jí)系列產(chǎn)品，星光卡口需要不斷對(duì)車輛進(jìn)行抓拍，對(duì)存儲(chǔ)空間和帶寬有很高的要求，H.265技術(shù)的引入極大的解決了這個(gè)問(wèn)題，為客戶完美呈現(xiàn)存儲(chǔ)代價(jià)小的高清存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；后端推出了M7系列80路16盤(pán)H.265 NVR，該產(chǎn)品支持4K高清網(wǎng)絡(luò)視頻的預(yù)覽、智能檢索和回放；支持國(guó)標(biāo)28181協(xié)議，支持自適應(yīng)H.265/H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)；具有多功能的面板接口：雙HDMI接口，雙VGA接口，雙千兆網(wǎng)絡(luò)接口，USB3.0接口，存儲(chǔ)擴(kuò)展接口ESATA等；提供強(qiáng)大的智能錄像和檢索，與IPC構(gòu)成強(qiáng)大的智能分析功能，為H.265時(shí)代的到來(lái)保駕護(hù)航。

結(jié)束語(yǔ)

超高清技術(shù)的發(fā)展?fàn)恳鳫.265的發(fā)展應(yīng)用，H.265支撐著4K的未來(lái)，對(duì)安防行業(yè)的高清化具有良好的促進(jìn)作用，引領(lǐng)著安防新的技術(shù)方向，必將逐步替代H.264，成為視頻壓縮領(lǐng)域發(fā)展的主流技術(shù)，安防行業(yè)的風(fēng)向標(biāo)。