淺談H.264 H.265視頻編碼及其在安防系統(tǒng)的應(yīng)用

李 克 江西省科學技術(shù)館 南昌市 330000

0 前言

伴隨著視頻技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖形芯片處理能力的不斷發(fā)展，安防行業(yè)高清化成為發(fā)展趨勢，720P、1080P已普及，安防UHD 4K高清等數(shù)字視頻資源日漸豐富，隨著超高清、極高清需求的增長及大數(shù)據(jù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，智能安防數(shù)字視頻應(yīng)用逐漸向高畫質(zhì)、高幀率、高壓縮比發(fā)展，智能安防領(lǐng)域的4K、8K、全景等視頻應(yīng)用則迫切要求低帶寬、低存儲視頻編碼以滿足數(shù)字視頻應(yīng)用的發(fā)展。

什么是視頻編碼？隨著視頻應(yīng)用的數(shù)字化及高清視頻的出現(xiàn)，視頻儲存就出現(xiàn)了數(shù)據(jù)量成倍增長的問題。一個長約60分鐘的720×480標清視頻，整個視頻就包含了86400張圖片（24幀/秒），每張圖片平均500K，那么整部視頻的需要的存儲空間達到了43G。對于1080p的視頻或者更高的4K視頻，一分鐘的未壓縮素材可達30-40GB。視頻數(shù)據(jù)的爆發(fā)性增長嚴重制約了數(shù)字視頻應(yīng)用采集和分析處理。而視頻壓縮編碼則是解決這個問題的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字視頻原始素材的數(shù)據(jù)包含了數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)冗余。視頻編碼則是制定一套壓縮標準，通過編碼標準壓縮處理文件中的數(shù)據(jù)，其實質(zhì)是減少數(shù)據(jù)中的冗余。通過視頻編碼將原始視頻進行處理、封裝、轉(zhuǎn)換，稱為編碼；使用者通過視頻編碼解碼、轉(zhuǎn)換、播放、傳播，稱為解碼。通過數(shù)字視頻編解碼標準減小數(shù)據(jù)體積，節(jié)省儲存空間和網(wǎng)絡(luò)帶寬，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和視頻應(yīng)用。通過視頻編碼也就是視頻壓縮技術(shù)，數(shù)據(jù)壓縮率從MPEG-1 的26∶1，到H.264（AVC）的100∶1、H.265（HEVC）200∶1。

1 什么是H.264、H.265

1.1 H.264編碼

在討論H.265 優(yōu)勢前，我們先來了解一下什么是H.264，H.264是國際電信聯(lián)盟2007年發(fā)布的高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標準，這個標準被命名為H.264/AVC。

（1）H.264的優(yōu)點

◎低碼率，高壓縮比；

◎圖像相對于之前的MPEG4、H.263更優(yōu)；

◎網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性：內(nèi)置互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議適配層，可以被映射各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，具備嵌入互聯(lián)網(wǎng)和移動通信的能力；

◎PSNR 性能：對比H.263，PSNR 性能高3—4dB，比MPEG4高2dB。

（2）H.264的局限性

◎分辨率的增加會造成數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)大量的冗余；

◎H.264 熵編碼算法CAVLC、CABAC 及圖像去塊效應(yīng)算法為串行編碼處理，制約了并行運算；

◎高分辨率支持不足。

1.2 H.265編碼

針對H.264的不足，2013年2月，由國際電信聯(lián)盟和ISO國際標準化組織組成的視頻編碼組發(fā)布了HEVC（High Efficiency Video Coding）視頻編碼標準，即為H.265標準，其核心是優(yōu)化H.264編碼方法，加入最新研究成果及新技術(shù)，提高壓縮效率。

HEVC/H.265支持4K（4096×2160）和8K（8192×4320）等超高清UHD視頻壓縮。沿襲了H.26X和MPEG系列基于塊的聯(lián)合預測熵編碼混合模型，對一些相關(guān)技術(shù)加以升級，針對H.264的缺陷進行了優(yōu)化升級，以改善編碼質(zhì)量、延時及碼流。

2 H.265核心技術(shù)

2.1 H.265的編碼架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

（1）編碼結(jié)構(gòu)靈活：支持8×8-64×64像素宏塊，增加宏塊單元可以提供更高的壓縮效率壓縮高分辨率的視頻；把H.264的基本單元優(yōu)化為變換單元（Transform Unit）、預測單元（Predict Unit）和編碼單元（Coding Unit）三單元分離結(jié)構(gòu)，增加了分區(qū)的靈活性，提升編碼效率。

（2）RQT（Residual Quad-tree Transform，殘差四叉樹自適應(yīng)變換）：四叉樹結(jié)構(gòu)的預測區(qū)域從64×64到4×4［1］。

（1）幀內(nèi)預測方式：幀內(nèi)預測相對于H.264的9種增加到35種，通過多種幀內(nèi)預測去除空間冗余。

（2）幀間預測：H.265支持前向后向參考，通過編碼圖像作為參考幀，去除時間冗余［2］。

（3）加入并行計算優(yōu)化設(shè)計。引入Tile、Entropy slice、WPP（Wave front Parallel Processing）等并行計算思路，使用并行度更高的編碼算法，充分發(fā)揮GPU、FPGA、ASIC等并行化芯片架構(gòu)的運行優(yōu)勢。

（4）SAO（Sample Adaptive Offse，采樣適應(yīng)抵消）：采用SAO技術(shù)，對重構(gòu)圖像像素，去除方塊效應(yīng)，減少失真，提高壓縮率。

2.2 H.265的優(yōu)勢

（1）壓縮效率更高，經(jīng)測試，在視頻質(zhì)量相同的情況下H.265是H.264的壓縮率的2倍，如圖1所示；

圖1 主要視頻編碼壓縮率

（2）傳輸速率，傳輸一段720P高清H.264≥5Mbps；H265傳輸速度1～2Mbps；

表1 H.264和H.265主要技術(shù)參數(shù)對比表

（3）支持4K和8K超高清視頻，契合高清、超高清視頻發(fā)展的需求；

（4）H.265支持160幀/秒以上的高幀率應(yīng)用；

（5）H.265具有網(wǎng)絡(luò)適配層，以適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)及視頻應(yīng)用，具備較好的網(wǎng)絡(luò)糾錯及健壯性，可以適用于多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；

（6）峰值信噪比（PSNR）顯著減少。經(jīng)BBC R&D視頻編碼研究團隊測試驗證，H.265在壓縮效率方面的極大提升，確認了過去報道中采用客觀質(zhì)量指標（基于PSNR的方法）獲得的結(jié)果。實際上，相較PSNR，采用主觀的MOS（Mean Opinion Scores）量度，H.265 相較H.264在壓縮方面顯得優(yōu)勢更為巨大。如圖2所示。

圖2 主流編碼峰值信噪比（PSNR）

3 H.265給安防行業(yè)帶來新機遇

隨著安防視頻應(yīng)用的快速發(fā)展和智能安防的市場滲透率的不斷增加，安防行業(yè)逐漸向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，H.265在安防系統(tǒng)日漸普及，國內(nèi)?？低暋⒋笕A、宇視等安防生產(chǎn)商已經(jīng)陸續(xù)推出了基于H.265編碼算法的壓縮芯片，從市場表現(xiàn)來看，H.265技術(shù)給安防行業(yè)帶來了很多新的機遇。

3.1 H.265編碼可快速融入安防互聯(lián)網(wǎng)+

隨著云計算的發(fā)展不斷助推安防智能化的應(yīng)用，這些應(yīng)用都需要強大的存儲和計算能力。與此同時，分布式云計算基于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的特點從而實現(xiàn)信息的跨地域共享。基于H.265的編解碼芯片強大算力可以擴展出更多的智能分析應(yīng)用。在H.265標準推動下，攝像機可兼顧多業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，完成諸如視頻監(jiān)控、車牌識別、周界防范、人臉識別、人群聚集、音視頻異常診斷等智能分析應(yīng)用，同時減少布點，豐富視頻數(shù)據(jù)應(yīng)用，從而更好地融入分布式云計算節(jié)點，加速“互聯(lián)網(wǎng)+安防”模式的進程。

3.2 H.265編碼促進安防多行業(yè)的融合

隨著移動5G技術(shù)的普及和商用，安防領(lǐng)域中流媒體業(yè)務(wù)將成為一個重要的視頻應(yīng)用，通過H.265的高壓縮，低帶寬的特點，運營商可以在保證質(zhì)量的前提下更加經(jīng)濟高效地向用戶提供移動視頻和多媒體體驗。H.265的低碼率、高壓縮將進一步促使高清、超高清視頻的傳輸及應(yīng)用，推動各專業(yè)突破邊界，共同完成信息標準化整合，邁向物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時代。

3.3 H.265編碼使成本節(jié)約、擴容性更強

從表2可以看出，與H.264編碼技術(shù)相比，H.265的高壓縮率、低碼流特性有效地降低高清視頻聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)存儲、帶寬建設(shè)成本。系統(tǒng)進行高清擴容，可以增加更多的前端接入，為場景的智能化分析提供了更好的保障。

表2 H.264和H.265不同分辨率的存儲對比

4 結(jié)束語

相信基于H.265的高壓縮比、低碼流、高幀率等性能，其先進的技術(shù)優(yōu)勢，一定會給安防行業(yè)帶來更多新的機遇。

隨著全球互聯(lián)網(wǎng)視頻需求的增長，2020年新一代視頻編碼標準H.266/VCC正式發(fā)布。H.266/VCC編解碼器將在H.265基礎(chǔ)上再減少50%的數(shù)據(jù)。如果H.266得到普及，超高清視頻行業(yè)將迎來巨大革命。但是對于H.266編碼來說，復雜的專利授權(quán)、高昂的授權(quán)費用嚴重影響了推廣速度，與此同時，H.266編碼還面臨著更多的競爭對手，比如H.264、H.265牢不可破的地位，以及谷歌開源免費的VP9、AV1也很有競爭力。哪種視頻編碼能在視頻時代應(yīng)用廣泛，還是要看各編碼模塊在性能、專利費、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)支持及市場來決定。