我為4K而來— H.265與超高清雙輪驅(qū)動(dòng)安防技術(shù)駛?cè)肟燔嚨?/h1>
2018-10-11 08:55:54文本刊記者羅超
中國公共安全 2018年8期
□/文本刊記 者羅超
一個(gè)新事物的出現(xiàn)往往促生另一事物的出現(xiàn)，在追逐高清無止境的當(dāng)下，中國安防產(chǎn)業(yè)因?yàn)?K的出現(xiàn)而精彩，又因其出現(xiàn)產(chǎn)生了技術(shù)瓶頸，如何突破自身桎梏，成為行業(yè)思考。于是，我們將關(guān)注點(diǎn)指向——H.265。
一個(gè)新事物的出現(xiàn)往往促生另一事物的出現(xiàn)，在追逐高清無止境的當(dāng)下，中國安防產(chǎn)業(yè)因?yàn)?K的出現(xiàn)而精彩，又因其出現(xiàn)產(chǎn)生了技術(shù)瓶頸，如何突破自身桎梏，成為行業(yè)思考。于是，我們將關(guān)注點(diǎn)指向——H.265。
H.265全面超越H.264
H.264視頻編碼技術(shù)對(duì)于視頻監(jiān)控行業(yè)有著莫大的里程碑意義，不管從產(chǎn)品形態(tài)DVRNVR等，也是行業(yè)數(shù)字取代模擬監(jiān)控的始作俑者之一。但，一項(xiàng)技術(shù)總有退出歷史舞臺(tái)的時(shí)候。接班者H.265因4K而來。
視頻監(jiān)控行業(yè)應(yīng)用的H.265是什么？H.265是ITU-TVCEG繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.265標(biāo)準(zhǔn)圍繞著現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264，保留原來的某些技術(shù)，同時(shí)對(duì)一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)。新技術(shù)使用先進(jìn)的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)置。具體的研究內(nèi)容包括：提高壓縮效率、提高魯棒性和錯(cuò)誤恢復(fù)能力、減少實(shí)時(shí)的時(shí)延、減少信道獲取時(shí)間和隨機(jī)接入時(shí)延、降低復(fù)雜度等。H264由于算法優(yōu)化，可以低于1Mbps的速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)清數(shù)字圖像傳送；H265則可以實(shí)現(xiàn)利用1～2Mbps的傳輸速度傳送720P（分辨率1280*720）普通高清音視頻傳送。在視頻監(jiān)控行業(yè)，H.265旨在在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻，僅需原先的一半帶寬即可播放相同質(zhì)量的視頻。這也意味著，我們的智能手機(jī)、平板機(jī)等移動(dòng)設(shè)備將能夠直接在線播放1080p的全高清視頻。H.265標(biāo)準(zhǔn)也同時(shí)支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清視頻?？梢哉f，H.265標(biāo)準(zhǔn)讓網(wǎng)絡(luò)視頻跟上了顯示屏“高分辨率化”的腳步。
H.265與同門師兄比較H.264，是全面超越。
首先，相較于傳統(tǒng)的H.264視頻編碼技術(shù)，H.265關(guān)鍵的技術(shù)突破在于編碼單元切割的區(qū)別上。眾所周知，視頻流是一幅幅連續(xù)的圖片不間斷播放產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)效果，國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)是每秒鐘25幀圖片。編碼單元切割即對(duì)每一張圖片進(jìn)行宏塊切割并對(duì)每個(gè)宏塊進(jìn)行單獨(dú)數(shù)字編碼。通常來說，H.264每個(gè)宏塊像素大小都是均勻固定的，并對(duì)均勻的宏塊進(jìn)行編碼，所以H.264編碼產(chǎn)生的視頻流數(shù)據(jù)大小比較固定，偏差不會(huì)太大。H.265新型編碼標(biāo)準(zhǔn)，編碼宏塊像素大小根據(jù)區(qū)域圖色信息來決定的，換句話說，信息量變化不明顯的區(qū)域，劃分的宏塊較大，圖色信息量復(fù)雜的區(qū)域，劃分的宏塊小而密集。這樣不僅保證了用H.265方式編碼的視頻畫面更加細(xì)膩，同時(shí)，碼流卻更加的節(jié)省了。數(shù)據(jù)表明，在相同的視頻畫面下，通過H.265編碼的視頻大小，相較于H.264編碼，視頻流大小節(jié)省了30%～50%，并且，編碼耗時(shí)降低了70%～80%。事實(shí)證明，H.265讓視頻編碼技術(shù)踏出更節(jié)能、更高效的重要一步。
其次，比起H.264，H.265提供了更多不同的工具來降低碼率，以編碼單位來說，最小的8x8到最大的64x64。信息量不多的區(qū)域(顏色變化不明顯，比如車體的紅色部分和地面的灰色部分)劃分的宏塊較大，編碼后的碼字較少，而細(xì)節(jié)多的地方(輪胎)劃分的宏塊就相應(yīng)的小和多一些，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，從而降低了整體的碼率，編碼效率就相應(yīng)提高了。同時(shí)，H.265的幀內(nèi)預(yù)測模式支持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)測方法，這對(duì)于現(xiàn)在的人工智能安防應(yīng)用有巨大的技術(shù)提升力。
最后，基于H.265的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，除了前端網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)編碼實(shí)現(xiàn)節(jié)省碼流、降低能耗外，后端存儲(chǔ)能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗H.265解碼，也是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)榈湍芎?，從設(shè)備角度來說，即代表著低設(shè)備成本和高性價(jià)比。
值得一提的是，事實(shí)上，在視頻監(jiān)控行業(yè)的H.265和H.264標(biāo)準(zhǔn)在各種功能上有一些重疊。例如，H.264標(biāo)準(zhǔn)中的Hi10P部分就支持10bit色深的視頻。另一個(gè)，H.264的部分(Hi444PP)還可以支持4：4：4色度抽樣和14比特色深。在這種情況下，H.265和H.264的區(qū)別就體現(xiàn)在前者可以使用更少的帶寬來提供同樣的功能，其代價(jià)就是設(shè)備計(jì)算能力，H.265編碼的視頻需要更多的計(jì)算能力來解碼。
H.265推動(dòng)安防監(jiān)控進(jìn)入4K視界
與智能監(jiān)控不同，4K有明確的標(biāo)準(zhǔn)，800萬像素即為4K，是傳統(tǒng)主流全高清1080P的4倍，是高清720P的8-9倍左右。如此之大的分辨率，4K監(jiān)控的整體成本過高，編解碼芯片、算法、網(wǎng)絡(luò)傳輸、存儲(chǔ)等方面仍然存在不小的瓶頸。正因?yàn)榧夹g(shù)存在壁壘，所以價(jià)格高居不下。H.265就是要跨過技術(shù)壁壘，支撐4K的未來。不過，這個(gè)觀點(diǎn)也不是全行業(yè)都一致認(rèn)同，2016年記者在北京安防展會(huì)索尼的“領(lǐng)航4K、至臻至誠”安防新品推介會(huì)上了解到，索尼對(duì)H.264編碼性能進(jìn)行深度優(yōu)化，可以在4K分辨率下保持每秒6M碼流，與此同時(shí)，索尼利用ROI降低帶寬，他們獨(dú)有的智能編碼和智能剪裁兩大絕技，為4K的應(yīng)用提供可能，但行業(yè)大多數(shù)的聲音是，H.265，支撐4K的未來。目前主流的H.264壓縮技術(shù)在高清視頻監(jiān)控應(yīng)用中，也呈現(xiàn)出越來越多的局限性。帶寬、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)建設(shè)成本等成為制約行業(yè)快速向全面超高清化發(fā)展的天花板。
為了解決這一問題，H.265應(yīng)用而生。H.265是實(shí)現(xiàn)超高清的關(guān)鍵性技術(shù)。該名詞全稱“高效視頻編碼”，主要研究內(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)的時(shí)延、減少信道獲取時(shí)間和隨機(jī)接入時(shí)延、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，僅需原先的一半帶寬即可播放相同質(zhì)量的視頻。H.265包括編碼單元、預(yù)測單元和變換單元。在此混合編碼框架下，H.265進(jìn)行了大量的技術(shù)創(chuàng)新，其中具有代表性的技術(shù)方案有：基于大尺寸四叉樹塊的分割結(jié)構(gòu)和殘差編碼結(jié)構(gòu)、多角度幀內(nèi)預(yù)測技術(shù)、運(yùn)動(dòng)估計(jì)融合技術(shù)、高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)、自適應(yīng)環(huán)路濾波技術(shù)以及基于語義的熵編碼技術(shù)等。和H.264相比，H.265的編碼效率要比前者提高50%，即在同等圖像質(zhì)量條件下，目標(biāo)碼率下降到H.264的50%左右。
可以說，H.265編碼技術(shù)所具有的低帶寬、低存儲(chǔ)等特性開創(chuàng)了視頻監(jiān)控領(lǐng)域的又一個(gè)新的里程碑，也讓4K超高清在安防監(jiān)控領(lǐng)域的普及成為了可能。然而，這種僅需原來一半帶寬即可播放相同質(zhì)量視頻的高效率是顯而易見的，但是其付出的代價(jià)就在于需要擁有非常高的計(jì)算能力來進(jìn)行解碼。目前行業(yè)內(nèi)各個(gè)編解碼芯片廠家也在逐步推出基于H.265算法的產(chǎn)品，但居高不下的成本也在一定程度上限制了H.265的普及。尚維國際網(wǎng)絡(luò)有限公司產(chǎn)品經(jīng)理張海波也持該觀點(diǎn)，他認(rèn)為超過200萬以上的監(jiān)控，H.265才有優(yōu)勢，而200萬以上的超高清監(jiān)控產(chǎn)品，價(jià)格本身就是一個(gè)坎，只有價(jià)格親民，H.265和4K這個(gè)孿生兄弟，才有應(yīng)用價(jià)值。
H.265行業(yè)深遠(yuǎn)影響
從目前看來，H.265對(duì)安防行業(yè)有深遠(yuǎn)影響，除了推動(dòng)安防監(jiān)控進(jìn)入4K視界之外，還必將加速視頻監(jiān)控產(chǎn)品升級(jí)換代和成本構(gòu)成的改變。比如：伴隨著4G技術(shù)的逐步普及和未來5G的應(yīng)用，H.265在移動(dòng)終端將有更多應(yīng)用的可能。具體來看，影響如下：
帶來更多的高清布點(diǎn)
超高清的普及可能還需要一段時(shí)間才能進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期，但并不表示H.265在當(dāng)下就沒有用武之地了。以現(xiàn)今雪亮工程中炙手可熱的1080p全高清監(jiān)控為例，采用當(dāng)前視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)普遍需要4M以上碼率才能保證圖像質(zhì)量，這也導(dǎo)致了很多系統(tǒng)都采取了“部分點(diǎn)位先高清”的策略。如果采用H.265編碼，按照現(xiàn)有的測試，1080p僅需1～2M左右的碼率，而早期系統(tǒng)建設(shè)的標(biāo)清D1格式也只能做到1.5～2M左右的碼率，這對(duì)于高清系統(tǒng)的建設(shè)是一種極大的誘惑。一方面，對(duì)于一些已經(jīng)建成的標(biāo)清系統(tǒng)，幾乎可以在其存儲(chǔ)池容量不變的情況下直接升級(jí)為1080p全高清系統(tǒng)，而對(duì)于一些新建的高清系統(tǒng)，其系統(tǒng)存儲(chǔ)成本將大大減少。可以預(yù)見的是，在H.265的滋潤下，高清點(diǎn)位更將如雨后春筍般布滿各個(gè)安防監(jiān)控系統(tǒng)。
為存儲(chǔ)帶來更大的便捷
隨著用戶對(duì)監(jiān)控視頻質(zhì)量的要求越來越高，高清視頻在安防監(jiān)控中的應(yīng)用越來越普及，由此帶來了存儲(chǔ)成本與空間的急劇上升。與現(xiàn)在正在使用的H.264編碼技術(shù)相比，H.265的高壓縮率特性能夠節(jié)省一半左右的存儲(chǔ)空間，從而顯著降低了視頻的存儲(chǔ)成本。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，解決了H.265計(jì)算復(fù)雜度的瓶頸后，在超高清監(jiān)控應(yīng)用方面，就像H.264替換之前的MPEG-2一樣，H.265必然會(huì)替換現(xiàn)在的H.264技術(shù)。H.265在后端，可帶來更小的存儲(chǔ)容量。分辨率從CIF→D1→720p→1080p，最頭疼的就是數(shù)據(jù)量增加帶來的存儲(chǔ)問題。但是，如果采用H.265來降低碼流，一個(gè)本來只能容納1000個(gè)攝像機(jī)的存儲(chǔ)池，現(xiàn)在可以裝2000個(gè)，甚至更多，而不用增加存儲(chǔ)的成本。反之，如果攝像機(jī)清晰度、視場角是以前的幾倍，而存儲(chǔ)不變，這就為更高清提供了一種很好的解決方案。試想，用4K攝像機(jī)捕捉視頻，一個(gè)攝像機(jī)能覆蓋的區(qū)域可能是以前1080p的4倍，并且為更多的智能化分析提供了更好的保障。
H.265標(biāo)準(zhǔn)為傳輸帶來更快的處理效率
H.265在傳輸，可帶來更快的處理效率。說到高清系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，帶寬資源和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性十分寶貴。如何更快的提高處理效率，現(xiàn)有壓縮標(biāo)準(zhǔn)又遇到了難題。比如日益增長的1080p高清點(diǎn)位，造成安防網(wǎng)絡(luò)的擁堵和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的急劇膨脹。H.265又拯救了這個(gè)帶寬資源有限的世界。打一個(gè)比方，把公路比成安防的網(wǎng)絡(luò)，將車輛比作視頻的碼流，H.265的到來將原本擁堵的安防公路瞬間變得非常通暢。比如4車道的公路，寬度不變，如果車輛縮小一倍以上，那4車道瞬間變成了8車道，就有效緩解了安防公路的擁堵問題。反過來看，在更高清監(jiān)控到來之際，碼流越來越大造成更擁堵的狀況，但是如果視頻清晰度提升之時(shí)碼流的大小不變。預(yù)計(jì)這種趨勢在未來幾年還將繼續(xù)，視頻內(nèi)容的帶寬要求將進(jìn)一步降低，運(yùn)營商將獲得所需的解決方案和網(wǎng)絡(luò)靈活性，以經(jīng)濟(jì)高效地向用戶提供真正的移動(dòng)視頻和多媒體體驗(yàn)。另一方面，移動(dòng)終端的顯示屏技術(shù)正向著超高ppi與超高清分辨率的方向發(fā)展。因此，H.265的高壓縮率特性，將進(jìn)一步促使高清甚至超高清視頻在4G網(wǎng)絡(luò)下流暢傳輸?shù)膽?yīng)用普及。
H.265標(biāo)準(zhǔn)提高信息共享的效率
在大數(shù)據(jù)趨勢下，跨區(qū)域跨部門的信息共享變得尤為重要。當(dāng)前各個(gè)業(yè)務(wù)部門的信息都有各自的情報(bào)來源，于是也就出現(xiàn)了，在一個(gè)路口安裝了多臺(tái)攝像機(jī)的情況，如此勢必造成龐大的冗余數(shù)據(jù)，信息共享無從談起。H.265不僅減輕了視頻情報(bào)的負(fù)重，更提升了視頻情報(bào)的質(zhì)量。另外，由H.265帶來的更高清的好處，一個(gè)攝像機(jī)可照顧多項(xiàng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，提升監(jiān)控質(zhì)量的同時(shí)，還能減少布點(diǎn)(相對(duì)傳統(tǒng)來說是覆蓋了更多區(qū)域)，可以讓系統(tǒng)包含更豐富的視頻數(shù)據(jù)。如此一來，H.265很好地使各部門的情報(bào)去粗取精，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，有效提升了信息共享的效率。此外，各行業(yè)的數(shù)據(jù)交互需求在安防領(lǐng)域中將愈加突出，視頻作為數(shù)據(jù)量最大的非結(jié)構(gòu)化信息之一，其壓縮標(biāo)準(zhǔn)逐漸成為通用的基礎(chǔ)定義，行業(yè)應(yīng)用特征已經(jīng)開始弱化，H.265的通用性可更好服務(wù)于各業(yè)務(wù)的融合和管理。
H.265安防前景無限好但還需完善
從上看出，H.265安防前景還是無限美好的，但我們也應(yīng)該看到其發(fā)展中遇到了一些問題。
H.265 HEVC的專利授權(quán)問題
效率更高的H.265視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)可用于下一代更高分辨率和更精巧的數(shù)字視頻產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。但是我們應(yīng)該看到可能阻礙采用HEVC的一個(gè)因素?zé)o疑與專利使用權(quán)費(fèi)有關(guān)。與H.264一樣，許多對(duì)HEVC有貢獻(xiàn)的技術(shù)為專利技術(shù)，而專利其持有者欲得到使用其知識(shí)產(chǎn)權(quán)的補(bǔ)償。目前，供應(yīng)商申請(qǐng)的H.265 HEVC技術(shù)專利可能高達(dá)5000項(xiàng)之多。但截至目前，誰擁有哪些專利?數(shù)量有多少?以及廠商們預(yù)計(jì)的授權(quán)費(fèi)用等，都尚未明朗。與視頻監(jiān)控有關(guān)的芯片制造商就新標(biāo)準(zhǔn)本身而言，許多握有相關(guān)專利的業(yè)者并未參與之前的專利池，包括聯(lián)發(fā)科、高通(Qualcom)和三星等，他們都不想加入該組織，而是傾向于自行收取授權(quán)費(fèi)。2018年1月美國博通公司(Broadcom)在CES大展上發(fā)布了一款Brahma BCM 7445芯片，它是一個(gè)采用28納米工藝的四核處理器，可以同時(shí)轉(zhuǎn)碼四個(gè)1080P視頻數(shù)據(jù)流或解析分辨率為4096×2160的H.265編碼超高清視頻，該芯片對(duì)于安防行業(yè)來說，是個(gè)利好消息。
H.265標(biāo)準(zhǔn)的配套、聯(lián)網(wǎng)問題
對(duì)于視頻監(jiān)控應(yīng)用來說，存儲(chǔ)時(shí)長和容量成本一直是方案設(shè)計(jì)時(shí)需要反復(fù)權(quán)衡的關(guān)鍵矛盾之一。當(dāng)大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)模式和集中存儲(chǔ)方案開始推廣后，網(wǎng)絡(luò)帶寬的瓶頸也逐步浮現(xiàn)。尤其是高清應(yīng)用的普及，更凸顯了這些問題，提高壓縮性能的需求日益迫切。面對(duì)這種情況，安防行業(yè)技術(shù)較為領(lǐng)先的廠家，一方面開始采用H.264的高級(jí)算法如CABAC、8x8Transform、ScalingMatrix等繼續(xù)提高壓縮比，并且結(jié)合SVC、ROI等應(yīng)用技術(shù)進(jìn)一步改善效果;另一方面，隨著IT技術(shù)發(fā)展趨勢，安防企業(yè)也將眼光放在了H.265上。但是在實(shí)際的推廣中還存在著很多制約因素，H.265算法的編碼復(fù)雜度較高。如果使用DSP、x86等通用處理器進(jìn)行軟件編碼并希望獲得明顯超過H.264的性能，需要選擇較為高端的產(chǎn)品平臺(tái)，其成本與功耗對(duì)于嵌入式監(jiān)控產(chǎn)品如IPCamera來說還算不上有競爭力的方案。
此外，H.265的系統(tǒng)方案，這里更多的是指文件封裝層面的內(nèi)容，也就涉及到各產(chǎn)品間的互聯(lián)互通，H.265在安防中的大范圍應(yīng)用還是需要安防各企業(yè)的努力推動(dòng)，比如推動(dòng)GB/T28181支持H.265標(biāo)準(zhǔn)，但到目前為止，H.265還未被寫入國家標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)束語
由于開發(fā)的難度、對(duì)于硬件支持的高要求和國家標(biāo)準(zhǔn)的未統(tǒng)一，使得H.265的發(fā)展受到了一定的阻礙，但安防行業(yè)編解碼未來的發(fā)展趨勢是更高的壓縮性和更高清的視頻效果。雖然當(dāng)下H.264仍然占據(jù)了網(wǎng)絡(luò)視頻碼流的70%左右，但是未來的十年間，H.265一定會(huì)以自身的優(yōu)勢成為絕對(duì)核心主流，同時(shí)隨著4K的推動(dòng)，H.265與之形成行業(yè)雙輪驅(qū)動(dòng)的技術(shù)態(tài)勢，驅(qū)使行業(yè)進(jìn)入技術(shù)發(fā)展快車道。
□/文本刊記 者羅超
一個(gè)新事物的出現(xiàn)往往促生另一事物的出現(xiàn)，在追逐高清無止境的當(dāng)下，中國安防產(chǎn)業(yè)因?yàn)?K的出現(xiàn)而精彩，又因其出現(xiàn)產(chǎn)生了技術(shù)瓶頸，如何突破自身桎梏，成為行業(yè)思考。于是，我們將關(guān)注點(diǎn)指向——H.265。
一個(gè)新事物的出現(xiàn)往往促生另一事物的出現(xiàn)，在追逐高清無止境的當(dāng)下，中國安防產(chǎn)業(yè)因?yàn)?K的出現(xiàn)而精彩，又因其出現(xiàn)產(chǎn)生了技術(shù)瓶頸，如何突破自身桎梏，成為行業(yè)思考。于是，我們將關(guān)注點(diǎn)指向——H.265。
H.265全面超越H.264
H.264視頻編碼技術(shù)對(duì)于視頻監(jiān)控行業(yè)有著莫大的里程碑意義，不管從產(chǎn)品形態(tài)DVRNVR等，也是行業(yè)數(shù)字取代模擬監(jiān)控的始作俑者之一。但，一項(xiàng)技術(shù)總有退出歷史舞臺(tái)的時(shí)候。接班者H.265因4K而來。
視頻監(jiān)控行業(yè)應(yīng)用的H.265是什么？H.265是ITU-TVCEG繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.265標(biāo)準(zhǔn)圍繞著現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264，保留原來的某些技術(shù)，同時(shí)對(duì)一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)。新技術(shù)使用先進(jìn)的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)置。具體的研究內(nèi)容包括：提高壓縮效率、提高魯棒性和錯(cuò)誤恢復(fù)能力、減少實(shí)時(shí)的時(shí)延、減少信道獲取時(shí)間和隨機(jī)接入時(shí)延、降低復(fù)雜度等。H264由于算法優(yōu)化，可以低于1Mbps的速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)清數(shù)字圖像傳送；H265則可以實(shí)現(xiàn)利用1～2Mbps的傳輸速度傳送720P（分辨率1280*720）普通高清音視頻傳送。在視頻監(jiān)控行業(yè)，H.265旨在在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻，僅需原先的一半帶寬即可播放相同質(zhì)量的視頻。這也意味著，我們的智能手機(jī)、平板機(jī)等移動(dòng)設(shè)備將能夠直接在線播放1080p的全高清視頻。H.265標(biāo)準(zhǔn)也同時(shí)支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清視頻?？梢哉f，H.265標(biāo)準(zhǔn)讓網(wǎng)絡(luò)視頻跟上了顯示屏“高分辨率化”的腳步。
H.265與同門師兄比較H.264，是全面超越。
首先，相較于傳統(tǒng)的H.264視頻編碼技術(shù)，H.265關(guān)鍵的技術(shù)突破在于編碼單元切割的區(qū)別上。眾所周知，視頻流是一幅幅連續(xù)的圖片不間斷播放產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)效果，國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)是每秒鐘25幀圖片。編碼單元切割即對(duì)每一張圖片進(jìn)行宏塊切割并對(duì)每個(gè)宏塊進(jìn)行單獨(dú)數(shù)字編碼。通常來說，H.264每個(gè)宏塊像素大小都是均勻固定的，并對(duì)均勻的宏塊進(jìn)行編碼，所以H.264編碼產(chǎn)生的視頻流數(shù)據(jù)大小比較固定，偏差不會(huì)太大。H.265新型編碼標(biāo)準(zhǔn)，編碼宏塊像素大小根據(jù)區(qū)域圖色信息來決定的，換句話說，信息量變化不明顯的區(qū)域，劃分的宏塊較大，圖色信息量復(fù)雜的區(qū)域，劃分的宏塊小而密集。這樣不僅保證了用H.265方式編碼的視頻畫面更加細(xì)膩，同時(shí)，碼流卻更加的節(jié)省了。數(shù)據(jù)表明，在相同的視頻畫面下，通過H.265編碼的視頻大小，相較于H.264編碼，視頻流大小節(jié)省了30%～50%，并且，編碼耗時(shí)降低了70%～80%。事實(shí)證明，H.265讓視頻編碼技術(shù)踏出更節(jié)能、更高效的重要一步。
其次，比起H.264，H.265提供了更多不同的工具來降低碼率，以編碼單位來說，最小的8x8到最大的64x64。信息量不多的區(qū)域(顏色變化不明顯，比如車體的紅色部分和地面的灰色部分)劃分的宏塊較大，編碼后的碼字較少，而細(xì)節(jié)多的地方(輪胎)劃分的宏塊就相應(yīng)的小和多一些，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，從而降低了整體的碼率，編碼效率就相應(yīng)提高了。同時(shí)，H.265的幀內(nèi)預(yù)測模式支持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)測方法，這對(duì)于現(xiàn)在的人工智能安防應(yīng)用有巨大的技術(shù)提升力。
最后，基于H.265的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，除了前端網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)編碼實(shí)現(xiàn)節(jié)省碼流、降低能耗外，后端存儲(chǔ)能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗H.265解碼，也是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)榈湍芎?，從設(shè)備角度來說，即代表著低設(shè)備成本和高性價(jià)比。
值得一提的是，事實(shí)上，在視頻監(jiān)控行業(yè)的H.265和H.264標(biāo)準(zhǔn)在各種功能上有一些重疊。例如，H.264標(biāo)準(zhǔn)中的Hi10P部分就支持10bit色深的視頻。另一個(gè)，H.264的部分(Hi444PP)還可以支持4：4：4色度抽樣和14比特色深。在這種情況下，H.265和H.264的區(qū)別就體現(xiàn)在前者可以使用更少的帶寬來提供同樣的功能，其代價(jià)就是設(shè)備計(jì)算能力，H.265編碼的視頻需要更多的計(jì)算能力來解碼。
H.265推動(dòng)安防監(jiān)控進(jìn)入4K視界
與智能監(jiān)控不同，4K有明確的標(biāo)準(zhǔn)，800萬像素即為4K，是傳統(tǒng)主流全高清1080P的4倍，是高清720P的8-9倍左右。如此之大的分辨率，4K監(jiān)控的整體成本過高，編解碼芯片、算法、網(wǎng)絡(luò)傳輸、存儲(chǔ)等方面仍然存在不小的瓶頸。正因?yàn)榧夹g(shù)存在壁壘，所以價(jià)格高居不下。H.265就是要跨過技術(shù)壁壘，支撐4K的未來。不過，這個(gè)觀點(diǎn)也不是全行業(yè)都一致認(rèn)同，2016年記者在北京安防展會(huì)索尼的“領(lǐng)航4K、至臻至誠”安防新品推介會(huì)上了解到，索尼對(duì)H.264編碼性能進(jìn)行深度優(yōu)化，可以在4K分辨率下保持每秒6M碼流，與此同時(shí)，索尼利用ROI降低帶寬，他們獨(dú)有的智能編碼和智能剪裁兩大絕技，為4K的應(yīng)用提供可能，但行業(yè)大多數(shù)的聲音是，H.265，支撐4K的未來。目前主流的H.264壓縮技術(shù)在高清視頻監(jiān)控應(yīng)用中，也呈現(xiàn)出越來越多的局限性。帶寬、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)建設(shè)成本等成為制約行業(yè)快速向全面超高清化發(fā)展的天花板。
為了解決這一問題，H.265應(yīng)用而生。H.265是實(shí)現(xiàn)超高清的關(guān)鍵性技術(shù)。該名詞全稱“高效視頻編碼”，主要研究內(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)的時(shí)延、減少信道獲取時(shí)間和隨機(jī)接入時(shí)延、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，僅需原先的一半帶寬即可播放相同質(zhì)量的視頻。H.265包括編碼單元、預(yù)測單元和變換單元。在此混合編碼框架下，H.265進(jìn)行了大量的技術(shù)創(chuàng)新，其中具有代表性的技術(shù)方案有：基于大尺寸四叉樹塊的分割結(jié)構(gòu)和殘差編碼結(jié)構(gòu)、多角度幀內(nèi)預(yù)測技術(shù)、運(yùn)動(dòng)估計(jì)融合技術(shù)、高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)、自適應(yīng)環(huán)路濾波技術(shù)以及基于語義的熵編碼技術(shù)等。和H.264相比，H.265的編碼效率要比前者提高50%，即在同等圖像質(zhì)量條件下，目標(biāo)碼率下降到H.264的50%左右。
可以說，H.265編碼技術(shù)所具有的低帶寬、低存儲(chǔ)等特性開創(chuàng)了視頻監(jiān)控領(lǐng)域的又一個(gè)新的里程碑，也讓4K超高清在安防監(jiān)控領(lǐng)域的普及成為了可能。然而，這種僅需原來一半帶寬即可播放相同質(zhì)量視頻的高效率是顯而易見的，但是其付出的代價(jià)就在于需要擁有非常高的計(jì)算能力來進(jìn)行解碼。目前行業(yè)內(nèi)各個(gè)編解碼芯片廠家也在逐步推出基于H.265算法的產(chǎn)品，但居高不下的成本也在一定程度上限制了H.265的普及。尚維國際網(wǎng)絡(luò)有限公司產(chǎn)品經(jīng)理張海波也持該觀點(diǎn)，他認(rèn)為超過200萬以上的監(jiān)控，H.265才有優(yōu)勢，而200萬以上的超高清監(jiān)控產(chǎn)品，價(jià)格本身就是一個(gè)坎，只有價(jià)格親民，H.265和4K這個(gè)孿生兄弟，才有應(yīng)用價(jià)值。
H.265行業(yè)深遠(yuǎn)影響
從目前看來，H.265對(duì)安防行業(yè)有深遠(yuǎn)影響，除了推動(dòng)安防監(jiān)控進(jìn)入4K視界之外，還必將加速視頻監(jiān)控產(chǎn)品升級(jí)換代和成本構(gòu)成的改變。比如：伴隨著4G技術(shù)的逐步普及和未來5G的應(yīng)用，H.265在移動(dòng)終端將有更多應(yīng)用的可能。具體來看，影響如下：
帶來更多的高清布點(diǎn)
超高清的普及可能還需要一段時(shí)間才能進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期，但并不表示H.265在當(dāng)下就沒有用武之地了。以現(xiàn)今雪亮工程中炙手可熱的1080p全高清監(jiān)控為例，采用當(dāng)前視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)普遍需要4M以上碼率才能保證圖像質(zhì)量，這也導(dǎo)致了很多系統(tǒng)都采取了“部分點(diǎn)位先高清”的策略。如果采用H.265編碼，按照現(xiàn)有的測試，1080p僅需1～2M左右的碼率，而早期系統(tǒng)建設(shè)的標(biāo)清D1格式也只能做到1.5～2M左右的碼率，這對(duì)于高清系統(tǒng)的建設(shè)是一種極大的誘惑。一方面，對(duì)于一些已經(jīng)建成的標(biāo)清系統(tǒng)，幾乎可以在其存儲(chǔ)池容量不變的情況下直接升級(jí)為1080p全高清系統(tǒng)，而對(duì)于一些新建的高清系統(tǒng)，其系統(tǒng)存儲(chǔ)成本將大大減少。可以預(yù)見的是，在H.265的滋潤下，高清點(diǎn)位更將如雨后春筍般布滿各個(gè)安防監(jiān)控系統(tǒng)。
為存儲(chǔ)帶來更大的便捷
隨著用戶對(duì)監(jiān)控視頻質(zhì)量的要求越來越高，高清視頻在安防監(jiān)控中的應(yīng)用越來越普及，由此帶來了存儲(chǔ)成本與空間的急劇上升。與現(xiàn)在正在使用的H.264編碼技術(shù)相比，H.265的高壓縮率特性能夠節(jié)省一半左右的存儲(chǔ)空間，從而顯著降低了視頻的存儲(chǔ)成本。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，解決了H.265計(jì)算復(fù)雜度的瓶頸后，在超高清監(jiān)控應(yīng)用方面，就像H.264替換之前的MPEG-2一樣，H.265必然會(huì)替換現(xiàn)在的H.264技術(shù)。H.265在后端，可帶來更小的存儲(chǔ)容量。分辨率從CIF→D1→720p→1080p，最頭疼的就是數(shù)據(jù)量增加帶來的存儲(chǔ)問題。但是，如果采用H.265來降低碼流，一個(gè)本來只能容納1000個(gè)攝像機(jī)的存儲(chǔ)池，現(xiàn)在可以裝2000個(gè)，甚至更多，而不用增加存儲(chǔ)的成本。反之，如果攝像機(jī)清晰度、視場角是以前的幾倍，而存儲(chǔ)不變，這就為更高清提供了一種很好的解決方案。試想，用4K攝像機(jī)捕捉視頻，一個(gè)攝像機(jī)能覆蓋的區(qū)域可能是以前1080p的4倍，并且為更多的智能化分析提供了更好的保障。
H.265標(biāo)準(zhǔn)為傳輸帶來更快的處理效率
H.265在傳輸，可帶來更快的處理效率。說到高清系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，帶寬資源和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性十分寶貴。如何更快的提高處理效率，現(xiàn)有壓縮標(biāo)準(zhǔn)又遇到了難題。比如日益增長的1080p高清點(diǎn)位，造成安防網(wǎng)絡(luò)的擁堵和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的急劇膨脹。H.265又拯救了這個(gè)帶寬資源有限的世界。打一個(gè)比方，把公路比成安防的網(wǎng)絡(luò)，將車輛比作視頻的碼流，H.265的到來將原本擁堵的安防公路瞬間變得非常通暢。比如4車道的公路，寬度不變，如果車輛縮小一倍以上，那4車道瞬間變成了8車道，就有效緩解了安防公路的擁堵問題。反過來看，在更高清監(jiān)控到來之際，碼流越來越大造成更擁堵的狀況，但是如果視頻清晰度提升之時(shí)碼流的大小不變。預(yù)計(jì)這種趨勢在未來幾年還將繼續(xù)，視頻內(nèi)容的帶寬要求將進(jìn)一步降低，運(yùn)營商將獲得所需的解決方案和網(wǎng)絡(luò)靈活性，以經(jīng)濟(jì)高效地向用戶提供真正的移動(dòng)視頻和多媒體體驗(yàn)。另一方面，移動(dòng)終端的顯示屏技術(shù)正向著超高ppi與超高清分辨率的方向發(fā)展。因此，H.265的高壓縮率特性，將進(jìn)一步促使高清甚至超高清視頻在4G網(wǎng)絡(luò)下流暢傳輸?shù)膽?yīng)用普及。
H.265標(biāo)準(zhǔn)提高信息共享的效率
在大數(shù)據(jù)趨勢下，跨區(qū)域跨部門的信息共享變得尤為重要。當(dāng)前各個(gè)業(yè)務(wù)部門的信息都有各自的情報(bào)來源，于是也就出現(xiàn)了，在一個(gè)路口安裝了多臺(tái)攝像機(jī)的情況，如此勢必造成龐大的冗余數(shù)據(jù)，信息共享無從談起。H.265不僅減輕了視頻情報(bào)的負(fù)重，更提升了視頻情報(bào)的質(zhì)量。另外，由H.265帶來的更高清的好處，一個(gè)攝像機(jī)可照顧多項(xiàng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，提升監(jiān)控質(zhì)量的同時(shí)，還能減少布點(diǎn)(相對(duì)傳統(tǒng)來說是覆蓋了更多區(qū)域)，可以讓系統(tǒng)包含更豐富的視頻數(shù)據(jù)。如此一來，H.265很好地使各部門的情報(bào)去粗取精，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，有效提升了信息共享的效率。此外，各行業(yè)的數(shù)據(jù)交互需求在安防領(lǐng)域中將愈加突出，視頻作為數(shù)據(jù)量最大的非結(jié)構(gòu)化信息之一，其壓縮標(biāo)準(zhǔn)逐漸成為通用的基礎(chǔ)定義，行業(yè)應(yīng)用特征已經(jīng)開始弱化，H.265的通用性可更好服務(wù)于各業(yè)務(wù)的融合和管理。
H.265安防前景無限好但還需完善
從上看出，H.265安防前景還是無限美好的，但我們也應(yīng)該看到其發(fā)展中遇到了一些問題。
H.265 HEVC的專利授權(quán)問題
效率更高的H.265視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)可用于下一代更高分辨率和更精巧的數(shù)字視頻產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。但是我們應(yīng)該看到可能阻礙采用HEVC的一個(gè)因素?zé)o疑與專利使用權(quán)費(fèi)有關(guān)。與H.264一樣，許多對(duì)HEVC有貢獻(xiàn)的技術(shù)為專利技術(shù)，而專利其持有者欲得到使用其知識(shí)產(chǎn)權(quán)的補(bǔ)償。目前，供應(yīng)商申請(qǐng)的H.265 HEVC技術(shù)專利可能高達(dá)5000項(xiàng)之多。但截至目前，誰擁有哪些專利?數(shù)量有多少?以及廠商們預(yù)計(jì)的授權(quán)費(fèi)用等，都尚未明朗。與視頻監(jiān)控有關(guān)的芯片制造商就新標(biāo)準(zhǔn)本身而言，許多握有相關(guān)專利的業(yè)者并未參與之前的專利池，包括聯(lián)發(fā)科、高通(Qualcom)和三星等，他們都不想加入該組織，而是傾向于自行收取授權(quán)費(fèi)。2018年1月美國博通公司(Broadcom)在CES大展上發(fā)布了一款Brahma BCM 7445芯片，它是一個(gè)采用28納米工藝的四核處理器，可以同時(shí)轉(zhuǎn)碼四個(gè)1080P視頻數(shù)據(jù)流或解析分辨率為4096×2160的H.265編碼超高清視頻，該芯片對(duì)于安防行業(yè)來說，是個(gè)利好消息。
H.265標(biāo)準(zhǔn)的配套、聯(lián)網(wǎng)問題
對(duì)于視頻監(jiān)控應(yīng)用來說，存儲(chǔ)時(shí)長和容量成本一直是方案設(shè)計(jì)時(shí)需要反復(fù)權(quán)衡的關(guān)鍵矛盾之一。當(dāng)大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)模式和集中存儲(chǔ)方案開始推廣后，網(wǎng)絡(luò)帶寬的瓶頸也逐步浮現(xiàn)。尤其是高清應(yīng)用的普及，更凸顯了這些問題，提高壓縮性能的需求日益迫切。面對(duì)這種情況，安防行業(yè)技術(shù)較為領(lǐng)先的廠家，一方面開始采用H.264的高級(jí)算法如CABAC、8x8Transform、ScalingMatrix等繼續(xù)提高壓縮比，并且結(jié)合SVC、ROI等應(yīng)用技術(shù)進(jìn)一步改善效果;另一方面，隨著IT技術(shù)發(fā)展趨勢，安防企業(yè)也將眼光放在了H.265上。但是在實(shí)際的推廣中還存在著很多制約因素，H.265算法的編碼復(fù)雜度較高。如果使用DSP、x86等通用處理器進(jìn)行軟件編碼并希望獲得明顯超過H.264的性能，需要選擇較為高端的產(chǎn)品平臺(tái)，其成本與功耗對(duì)于嵌入式監(jiān)控產(chǎn)品如IPCamera來說還算不上有競爭力的方案。
此外，H.265的系統(tǒng)方案，這里更多的是指文件封裝層面的內(nèi)容，也就涉及到各產(chǎn)品間的互聯(lián)互通，H.265在安防中的大范圍應(yīng)用還是需要安防各企業(yè)的努力推動(dòng)，比如推動(dòng)GB/T28181支持H.265標(biāo)準(zhǔn)，但到目前為止，H.265還未被寫入國家標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)束語
由于開發(fā)的難度、對(duì)于硬件支持的高要求和國家標(biāo)準(zhǔn)的未統(tǒng)一，使得H.265的發(fā)展受到了一定的阻礙，但安防行業(yè)編解碼未來的發(fā)展趨勢是更高的壓縮性和更高清的視頻效果。雖然當(dāng)下H.264仍然占據(jù)了網(wǎng)絡(luò)視頻碼流的70%左右，但是未來的十年間，H.265一定會(huì)以自身的優(yōu)勢成為絕對(duì)核心主流，同時(shí)隨著4K的推動(dòng)，H.265與之形成行業(yè)雙輪驅(qū)動(dòng)的技術(shù)態(tài)勢，驅(qū)使行業(yè)進(jìn)入技術(shù)發(fā)展快車道。
