H.265關鍵技術解析和應用

趙金平

摘 要：H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。新標準在編碼質量、碼流、延時處理以及算法復雜度等方面提出了改進方法，達到最優化設置。本文結合安防實際應用，介紹了新標準在提高壓縮效率、提高錯誤恢復能力、減少時延、減少信道獲取時間和隨機接入時延、降低復雜度等方面采取的相關技術方法。

關鍵詞：H.265；碼流宏塊編碼

1 綜述

社會公共安全產品博覽會北京展會剛剛結束，本次展會上，除了較常見的AHD、CVI、TVI、SDI、960H這些監控技術外，4K高清、H.265等相關應用的粉墨登場，給安防行業帶來了一股新風。H.265標準自2013年被確認，到現在各大企業發布H.265產品，發展勢頭日益強勁，究其原因，與現有視頻壓縮標準H.264無法滿足呈現“高清化”發展的需求關系很大，無論現有標準如何閃轉騰挪、采用何種優化算法，面對高清視頻碼流幾何倍數增加的現實需求，都顯得窮途陌路了，視頻編碼需要更高效的標準來適應這種視頻發展的變化。

H.265標準即高效視頻編碼（High Efficiency Video Coding）標準，其編碼架構與H.264的架構相似，主要包含：幀內預測、幀間預測、轉換、量化、去區塊濾波器、熵編碼等模塊。

2 安防監控技術領域對編碼標準的要求

隨著高清化在安防監控中的逐漸普及，720P、1080P等高清晰度視頻應用隨處可見，甚至很多安防監控廠商已經提出了4K、8K高清視頻的解決方案，高清晰度視頻內容必然帶來傳輸帶寬的高要求。同時，高清晰度視頻其編碼后的視頻數據龐大，對存儲的要求大大增加，因此編碼過程中壓縮比的大幅提高成為新標準的基本需求。

相對于標清，高清視頻的像素高，信息量大，圖像細節描述更詳盡，因此，解碼時，盡可能迅速地還原出高清圖像的高畫質成為解碼的關鍵因素。舉個例子，D1標清視頻的解碼對于H.264標準而言，其實現所需要的硬件資源相對較少，8路D1碼流同時解碼顯示，對普通服務器來說運算量不大，但如果是1080P高清視頻碼流，普通服務器只能勉強解碼顯示1路。在大型視頻監控平臺上，如果高清視頻有多路需要同時解碼顯示，服務器的計算速度、運算量會非常大，因此，下一代視頻編解碼標準在解碼能力上亟待優化。

隨著3G/4G無線通信技術的迅猛發展，視頻流媒體業務在全球范圍內得到普及、發展，安防監控對流媒體業務的需求同樣迅速增加。在各種業務類型中，P2P或分布式應用較廣泛，監控視頻由于其直觀性的特點，被各用戶終端所鐘愛，在不同網絡環境下，有不同的需求種類，如局域網中，網絡帶寬較好，用戶對視頻質量要求高；而通過手機終端來監控時，由于帶寬的限制，視頻流暢性被放在首位；因此，下一代編碼技術在安防領域的應用，需要有更好的網絡適應性和差錯健壯性。

3 H.265編碼標準的關鍵技術

新一代視頻編碼標準HEVC（H.265）仍然屬于預測加變換的混合編碼框架，但與上一代H.264標準相比，新標準有了革命性的改進，主要體現如下：

（1）編碼結構：H.265中，宏塊的大小有4x4、8x8、16x16、32x32、64×64等多種，針對圖像的細節特點，可以采取不同宏塊大小的劃分方式，因此，高分辨率的視頻內容可壓縮空間就更大。同時，相互獨立的靈活的編碼結構促進了編碼效率的提高，編碼結構包括編碼單元（Coding Unit）、預測單元（Predict Unit）和變換單元（Transform Unit）。如圖1所示：

編碼單元相當于H.264/AVC中的宏塊，用于編碼的過程，預測單元是進行預測的基本單元，變換單元是進行變換和量化的基本單元。這三個單元分開處理，使得變換、預測和編碼等處理環節更加靈活，也有利于各個環節劃分更加符合視頻圖像的紋理特征，促進各單元實現各自功能更靈活優化。

（2）RQT（Residual Quad-tree Transform）：RQT是一種自適應變換技術，是對H.264/AVC中ABT（Adaptive Block-size Transform）技術的延伸和擴展。該技術在幀間編碼過程中，可實現根據運動補償塊大小的不同，對變換塊的大小自適應調整；在幀內編碼過程中，可實現根據幀內預測殘差特性的不同，對變換塊的大小自適應調整。大塊變換與小塊變換相比較，優勢是能夠提供更好的能量集中效果，并且在量化后保留更多的圖像細節，劣勢是，量化后會產生更多的振鈴效應。因此，比較將要處理的變換塊的特征，自適應地選擇變換塊大小，如圖2所示， 在能量集中、細節保留程度以及圖像的振鈴效應三個因素中選擇折中的效果。

（3）MVP：即運動矢量預測方式；H.265標準增加了偵內預測方向，將預測塊的集合由空間域擴展到時間域和空間域兩個方向，依據域失真準則進行計算，選擇最佳的預測塊。使用該方法，可得到平均6.1%的壓縮增益，復雜圖像的壓縮增益甚至能提高到20%。

（4）采樣點自適應偏移（Sample Adaptive Offset）：SAO采取的方法是對重建圖像進行分類，在分類后的圖像像素值中加減偏移量，保證了圖像的差異性，減少了失真，提高壓縮率，減少碼流。

采用SAO后，平均可減少2%～6%的碼流，而編解碼器性能消耗僅增加了約2%。

（5）并行化設計：芯片架構基本以多核并行為主，H.265引入了Tile、Entropyslice、WPP（WavefrontParallelProcessing）等并行運算思路，使用并行度更高的編碼算法，更有利于H.265在多核CPU中高效快速運行。

此外，H.265中還采用了多描述編碼、1/8像素插值編碼、自適應環路濾波等技術，保證了H.265標準在壓縮效率、并行處理能力和網絡適應性方面得到極大提升。

4 H.265標準在安防行業的應用

H.265標準繼承了H.264標準的一些成功應用技術，并兼容H.264，從 H.264標準在視頻應用領域整合了廣電、電信、互聯網、安防等行業來看， H.265標準未來發展前景一片大好。安防領域高清化是一種趨勢，4k高清、超高清等必將成為標準配置，當然，H.265的優勢遠不止4K高清監控這么簡單，舉個例子，在平安城市中炙手可熱的1080p全高清布控，H.264標準下1080p需要4M以上的碼率來保證圖像質量，若采用H.265視頻壓縮標準，則1080p僅需1～2M左右碼流。

面對安防監控大蛋糕，國內安防廠商積極參與和推動了H.265視頻標準和應用的發展，芯片廠商已經推出了H.265編碼算法的SOC，各種應用方案也層出不窮；H.265的產品應用方面，目前國內安防廠家基本都具備了產品化的研發實力，包括以海康威視等企業為代表的廠家都相繼推出了支持H.265的產品，可以想象，在可預見的未來，H.265標準必將引領安防技術的主流。

參考文獻：

[1]High Efficiency Video Coding

http：//en.wikipedia.org/wiki/High_Efficiency_Video_Coding.

[2]Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards — Including High Efficiency Video Coding （HEVC）， Jens-Rainer Ohm， Gary J. Sullivan， etc. IEEE Trans. VOL.22， NO.12， December 2012.

[3]蔡曉霞，崔巖松，鄧中亮，常志峰.下一代視頻編碼標準H.265關鍵技術[J].北京郵電大學電子工程學院，2012.

摘 要：H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。新標準在編碼質量、碼流、延時處理以及算法復雜度等方面提出了改進方法，達到最優化設置。本文結合安防實際應用，介紹了新標準在提高壓縮效率、提高錯誤恢復能力、減少時延、減少信道獲取時間和隨機接入時延、降低復雜度等方面采取的相關技術方法。

關鍵詞：H.265；碼流宏塊編碼

1 綜述

社會公共安全產品博覽會北京展會剛剛結束，本次展會上，除了較常見的AHD、CVI、TVI、SDI、960H這些監控技術外，4K高清、H.265等相關應用的粉墨登場，給安防行業帶來了一股新風。H.265標準自2013年被確認，到現在各大企業發布H.265產品，發展勢頭日益強勁，究其原因，與現有視頻壓縮標準H.264無法滿足呈現“高清化”發展的需求關系很大，無論現有標準如何閃轉騰挪、采用何種優化算法，面對高清視頻碼流幾何倍數增加的現實需求，都顯得窮途陌路了，視頻編碼需要更高效的標準來適應這種視頻發展的變化。

H.265標準即高效視頻編碼（High Efficiency Video Coding）標準，其編碼架構與H.264的架構相似，主要包含：幀內預測、幀間預測、轉換、量化、去區塊濾波器、熵編碼等模塊。

2 安防監控技術領域對編碼標準的要求

隨著高清化在安防監控中的逐漸普及，720P、1080P等高清晰度視頻應用隨處可見，甚至很多安防監控廠商已經提出了4K、8K高清視頻的解決方案，高清晰度視頻內容必然帶來傳輸帶寬的高要求。同時，高清晰度視頻其編碼后的視頻數據龐大，對存儲的要求大大增加，因此編碼過程中壓縮比的大幅提高成為新標準的基本需求。

相對于標清，高清視頻的像素高，信息量大，圖像細節描述更詳盡，因此，解碼時，盡可能迅速地還原出高清圖像的高畫質成為解碼的關鍵因素。舉個例子，D1標清視頻的解碼對于H.264標準而言，其實現所需要的硬件資源相對較少，8路D1碼流同時解碼顯示，對普通服務器來說運算量不大，但如果是1080P高清視頻碼流，普通服務器只能勉強解碼顯示1路。在大型視頻監控平臺上，如果高清視頻有多路需要同時解碼顯示，服務器的計算速度、運算量會非常大，因此，下一代視頻編解碼標準在解碼能力上亟待優化。

隨著3G/4G無線通信技術的迅猛發展，視頻流媒體業務在全球范圍內得到普及、發展，安防監控對流媒體業務的需求同樣迅速增加。在各種業務類型中，P2P或分布式應用較廣泛，監控視頻由于其直觀性的特點，被各用戶終端所鐘愛，在不同網絡環境下，有不同的需求種類，如局域網中，網絡帶寬較好，用戶對視頻質量要求高；而通過手機終端來監控時，由于帶寬的限制，視頻流暢性被放在首位；因此，下一代編碼技術在安防領域的應用，需要有更好的網絡適應性和差錯健壯性。

3 H.265編碼標準的關鍵技術

新一代視頻編碼標準HEVC（H.265）仍然屬于預測加變換的混合編碼框架，但與上一代H.264標準相比，新標準有了革命性的改進，主要體現如下：

（1）編碼結構：H.265中，宏塊的大小有4x4、8x8、16x16、32x32、64×64等多種，針對圖像的細節特點，可以采取不同宏塊大小的劃分方式，因此，高分辨率的視頻內容可壓縮空間就更大。同時，相互獨立的靈活的編碼結構促進了編碼效率的提高，編碼結構包括編碼單元（Coding Unit）、預測單元（Predict Unit）和變換單元（Transform Unit）。如圖1所示：

編碼單元相當于H.264/AVC中的宏塊，用于編碼的過程，預測單元是進行預測的基本單元，變換單元是進行變換和量化的基本單元。這三個單元分開處理，使得變換、預測和編碼等處理環節更加靈活，也有利于各個環節劃分更加符合視頻圖像的紋理特征，促進各單元實現各自功能更靈活優化。

（2）RQT（Residual Quad-tree Transform）：RQT是一種自適應變換技術，是對H.264/AVC中ABT（Adaptive Block-size Transform）技術的延伸和擴展。該技術在幀間編碼過程中，可實現根據運動補償塊大小的不同，對變換塊的大小自適應調整；在幀內編碼過程中，可實現根據幀內預測殘差特性的不同，對變換塊的大小自適應調整。大塊變換與小塊變換相比較，優勢是能夠提供更好的能量集中效果，并且在量化后保留更多的圖像細節，劣勢是，量化后會產生更多的振鈴效應。因此，比較將要處理的變換塊的特征，自適應地選擇變換塊大小，如圖2所示， 在能量集中、細節保留程度以及圖像的振鈴效應三個因素中選擇折中的效果。

（3）MVP：即運動矢量預測方式；H.265標準增加了偵內預測方向，將預測塊的集合由空間域擴展到時間域和空間域兩個方向，依據域失真準則進行計算，選擇最佳的預測塊。使用該方法，可得到平均6.1%的壓縮增益，復雜圖像的壓縮增益甚至能提高到20%。

（4）采樣點自適應偏移（Sample Adaptive Offset）：SAO采取的方法是對重建圖像進行分類，在分類后的圖像像素值中加減偏移量，保證了圖像的差異性，減少了失真，提高壓縮率，減少碼流。

采用SAO后，平均可減少2%～6%的碼流，而編解碼器性能消耗僅增加了約2%。

（5）并行化設計：芯片架構基本以多核并行為主，H.265引入了Tile、Entropyslice、WPP（WavefrontParallelProcessing）等并行運算思路，使用并行度更高的編碼算法，更有利于H.265在多核CPU中高效快速運行。

此外，H.265中還采用了多描述編碼、1/8像素插值編碼、自適應環路濾波等技術，保證了H.265標準在壓縮效率、并行處理能力和網絡適應性方面得到極大提升。

4 H.265標準在安防行業的應用

H.265標準繼承了H.264標準的一些成功應用技術，并兼容H.264，從 H.264標準在視頻應用領域整合了廣電、電信、互聯網、安防等行業來看， H.265標準未來發展前景一片大好。安防領域高清化是一種趨勢，4k高清、超高清等必將成為標準配置，當然，H.265的優勢遠不止4K高清監控這么簡單，舉個例子，在平安城市中炙手可熱的1080p全高清布控，H.264標準下1080p需要4M以上的碼率來保證圖像質量，若采用H.265視頻壓縮標準，則1080p僅需1～2M左右碼流。

面對安防監控大蛋糕，國內安防廠商積極參與和推動了H.265視頻標準和應用的發展，芯片廠商已經推出了H.265編碼算法的SOC，各種應用方案也層出不窮；H.265的產品應用方面，目前國內安防廠家基本都具備了產品化的研發實力，包括以海康威視等企業為代表的廠家都相繼推出了支持H.265的產品，可以想象，在可預見的未來，H.265標準必將引領安防技術的主流。

參考文獻：

[1]High Efficiency Video Coding

http：//en.wikipedia.org/wiki/High_Efficiency_Video_Coding.

[2]Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards — Including High Efficiency Video Coding （HEVC）， Jens-Rainer Ohm， Gary J. Sullivan， etc. IEEE Trans. VOL.22， NO.12， December 2012.

[3]蔡曉霞，崔巖松，鄧中亮，常志峰.下一代視頻編碼標準H.265關鍵技術[J].北京郵電大學電子工程學院，2012.

摘 要：H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。新標準在編碼質量、碼流、延時處理以及算法復雜度等方面提出了改進方法，達到最優化設置。本文結合安防實際應用，介紹了新標準在提高壓縮效率、提高錯誤恢復能力、減少時延、減少信道獲取時間和隨機接入時延、降低復雜度等方面采取的相關技術方法。

關鍵詞：H.265；碼流宏塊編碼

1 綜述

社會公共安全產品博覽會北京展會剛剛結束，本次展會上，除了較常見的AHD、CVI、TVI、SDI、960H這些監控技術外，4K高清、H.265等相關應用的粉墨登場，給安防行業帶來了一股新風。H.265標準自2013年被確認，到現在各大企業發布H.265產品，發展勢頭日益強勁，究其原因，與現有視頻壓縮標準H.264無法滿足呈現“高清化”發展的需求關系很大，無論現有標準如何閃轉騰挪、采用何種優化算法，面對高清視頻碼流幾何倍數增加的現實需求，都顯得窮途陌路了，視頻編碼需要更高效的標準來適應這種視頻發展的變化。

H.265標準即高效視頻編碼（High Efficiency Video Coding）標準，其編碼架構與H.264的架構相似，主要包含：幀內預測、幀間預測、轉換、量化、去區塊濾波器、熵編碼等模塊。

2 安防監控技術領域對編碼標準的要求

隨著高清化在安防監控中的逐漸普及，720P、1080P等高清晰度視頻應用隨處可見，甚至很多安防監控廠商已經提出了4K、8K高清視頻的解決方案，高清晰度視頻內容必然帶來傳輸帶寬的高要求。同時，高清晰度視頻其編碼后的視頻數據龐大，對存儲的要求大大增加，因此編碼過程中壓縮比的大幅提高成為新標準的基本需求。

相對于標清，高清視頻的像素高，信息量大，圖像細節描述更詳盡，因此，解碼時，盡可能迅速地還原出高清圖像的高畫質成為解碼的關鍵因素。舉個例子，D1標清視頻的解碼對于H.264標準而言，其實現所需要的硬件資源相對較少，8路D1碼流同時解碼顯示，對普通服務器來說運算量不大，但如果是1080P高清視頻碼流，普通服務器只能勉強解碼顯示1路。在大型視頻監控平臺上，如果高清視頻有多路需要同時解碼顯示，服務器的計算速度、運算量會非常大，因此，下一代視頻編解碼標準在解碼能力上亟待優化。

隨著3G/4G無線通信技術的迅猛發展，視頻流媒體業務在全球范圍內得到普及、發展，安防監控對流媒體業務的需求同樣迅速增加。在各種業務類型中，P2P或分布式應用較廣泛，監控視頻由于其直觀性的特點，被各用戶終端所鐘愛，在不同網絡環境下，有不同的需求種類，如局域網中，網絡帶寬較好，用戶對視頻質量要求高；而通過手機終端來監控時，由于帶寬的限制，視頻流暢性被放在首位；因此，下一代編碼技術在安防領域的應用，需要有更好的網絡適應性和差錯健壯性。

3 H.265編碼標準的關鍵技術

新一代視頻編碼標準HEVC（H.265）仍然屬于預測加變換的混合編碼框架，但與上一代H.264標準相比，新標準有了革命性的改進，主要體現如下：

（1）編碼結構：H.265中，宏塊的大小有4x4、8x8、16x16、32x32、64×64等多種，針對圖像的細節特點，可以采取不同宏塊大小的劃分方式，因此，高分辨率的視頻內容可壓縮空間就更大。同時，相互獨立的靈活的編碼結構促進了編碼效率的提高，編碼結構包括編碼單元（Coding Unit）、預測單元（Predict Unit）和變換單元（Transform Unit）。如圖1所示：

編碼單元相當于H.264/AVC中的宏塊，用于編碼的過程，預測單元是進行預測的基本單元，變換單元是進行變換和量化的基本單元。這三個單元分開處理，使得變換、預測和編碼等處理環節更加靈活，也有利于各個環節劃分更加符合視頻圖像的紋理特征，促進各單元實現各自功能更靈活優化。

（2）RQT（Residual Quad-tree Transform）：RQT是一種自適應變換技術，是對H.264/AVC中ABT（Adaptive Block-size Transform）技術的延伸和擴展。該技術在幀間編碼過程中，可實現根據運動補償塊大小的不同，對變換塊的大小自適應調整；在幀內編碼過程中，可實現根據幀內預測殘差特性的不同，對變換塊的大小自適應調整。大塊變換與小塊變換相比較，優勢是能夠提供更好的能量集中效果，并且在量化后保留更多的圖像細節，劣勢是，量化后會產生更多的振鈴效應。因此，比較將要處理的變換塊的特征，自適應地選擇變換塊大小，如圖2所示， 在能量集中、細節保留程度以及圖像的振鈴效應三個因素中選擇折中的效果。

（3）MVP：即運動矢量預測方式；H.265標準增加了偵內預測方向，將預測塊的集合由空間域擴展到時間域和空間域兩個方向，依據域失真準則進行計算，選擇最佳的預測塊。使用該方法，可得到平均6.1%的壓縮增益，復雜圖像的壓縮增益甚至能提高到20%。

（4）采樣點自適應偏移（Sample Adaptive Offset）：SAO采取的方法是對重建圖像進行分類，在分類后的圖像像素值中加減偏移量，保證了圖像的差異性，減少了失真，提高壓縮率，減少碼流。

采用SAO后，平均可減少2%～6%的碼流，而編解碼器性能消耗僅增加了約2%。

（5）并行化設計：芯片架構基本以多核并行為主，H.265引入了Tile、Entropyslice、WPP（WavefrontParallelProcessing）等并行運算思路，使用并行度更高的編碼算法，更有利于H.265在多核CPU中高效快速運行。

此外，H.265中還采用了多描述編碼、1/8像素插值編碼、自適應環路濾波等技術，保證了H.265標準在壓縮效率、并行處理能力和網絡適應性方面得到極大提升。

4 H.265標準在安防行業的應用

H.265標準繼承了H.264標準的一些成功應用技術，并兼容H.264，從 H.264標準在視頻應用領域整合了廣電、電信、互聯網、安防等行業來看， H.265標準未來發展前景一片大好。安防領域高清化是一種趨勢，4k高清、超高清等必將成為標準配置，當然，H.265的優勢遠不止4K高清監控這么簡單，舉個例子，在平安城市中炙手可熱的1080p全高清布控，H.264標準下1080p需要4M以上的碼率來保證圖像質量，若采用H.265視頻壓縮標準，則1080p僅需1～2M左右碼流。

面對安防監控大蛋糕，國內安防廠商積極參與和推動了H.265視頻標準和應用的發展，芯片廠商已經推出了H.265編碼算法的SOC，各種應用方案也層出不窮；H.265的產品應用方面，目前國內安防廠家基本都具備了產品化的研發實力，包括以海康威視等企業為代表的廠家都相繼推出了支持H.265的產品，可以想象，在可預見的未來，H.265標準必將引領安防技術的主流。

參考文獻：

[1]High Efficiency Video Coding

http：//en.wikipedia.org/wiki/High_Efficiency_Video_Coding.

[2]Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards — Including High Efficiency Video Coding （HEVC）， Jens-Rainer Ohm， Gary J. Sullivan， etc. IEEE Trans. VOL.22， NO.12， December 2012.

[3]蔡曉霞，崔巖松，鄧中亮，常志峰.下一代視頻編碼標準H.265關鍵技術[J].北京郵電大學電子工程學院，2012.