H.265技術引領高清時代的到來

□ 文 /徐旺

作者單位: 浙江大華技術股份有限公司

4K高清來襲，H.265編解碼器愈發重要。高清化是用戶的需求，也是視頻監控發展的趨勢。然而高清化帶來的傳輸及存儲方面的問題，也讓企業頭痛不已。如何解決視頻傳輸及存儲？H.265技術應運而生。

H.265編碼技術簡介

2010年1月，ITU-T和ISO下的動態圖像專家組（MPEG）聯合成立JCT-VC組織，著手統一制定下一代編碼標準，2010年4月在德國德累斯頓召開了JCT-VT第一次會議，確定新一代視頻編碼標準名稱HEVC，即H.265標準。新一代視頻壓縮標準的核心目標是在H.264的基礎上，壓縮效率提高一倍。即在保證相同視頻質量的前提下，視頻流的碼率減少50%；而H.265標準也同時支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清視頻，可以說，H.265標準讓網絡視頻跟上了顯示屏“高分辨率化”的腳步。

H.265的技術優勢

首先，H.265標準具有靈活的編碼結構。在H.265中，將宏塊(Macro Block)的大小從H.264的 4×4、8×8、16×16 擴展到了32×32、64×64、甚至于128×128的宏塊，以便于高分辨率視頻的壓縮。同時，H.265采用了更加靈活的編碼結構來提高編碼效率，包括編碼單元(Coding Unit)、預測單元(Predict Unit)和變換單元(Transform Unit)。

其次，擁有靈活的塊結構—RQT(Residual Quad-tree Transform)。RQT是一種自我調整的變換技術，這種思想是對H.264/AVCABT(Adaptive Block-size Transform)技術的延伸和擴展。對于幀間編碼來說，它允許變換塊的大小根據運動補償塊的大小進行自我調整的調整；對于幀內編碼來說，它允許變換塊的大小根據幀內預測殘差的特性進行自我調整的調整。大塊的變換相對于小塊的變換，一方面能夠提供更好的能量集中效果，并能在量化后保存更多的影像細節，但是另一方面在量化后卻會帶來更多的振鈴效應。因此，根據當前塊信號的特性，自適應的選擇變換塊大小，可以得到能量集中、細節保留程度以及影像的振鈴效應三者最優的折中。

再次，采樣點自我調整偏移(Sample Adaptive Offset)。SAO在編譯碼環路內，位于Deblock之后，通過對重建影像的分類，對每一類影像畫素值加減一個偏移，達到減少失真的目的，從而提高壓縮率，減少碼流量。采用SAO后，平均可以減少2%～6%的碼流，而編碼器和譯碼器的性能消耗僅僅增加了約2%。

最后，H.265采用了并行化設計思路。當前芯片架構已經從單核性能逐漸往多核并行方向發展，因此為了適應并行化程度非常高的芯片，H.265引入了很多并行運算的優化思路，克服了H.264的缺陷。

H.265技術對安防行業的影響

H.265標準為前端帶來更多的高清布點

伴隨著視頻壓縮標準的一次次進步，安防監控從模擬、數字、網絡到高清智能化，安防正步入大聯網時代。在安防大聯網時代下，用戶追求更大圖像、更大集成、更大融合，更注重數據的全局性、效率性和關聯性，這就涉及到大數據理念的深度應用，也就意味著需要更多的更高清布點，更快的處理效率和更全的關聯信息。此時，在很多方面當前的視頻壓縮標準已開始力不從心。如何突破? H.265的到來令整個安防界都茅塞頓開。

H.265在前端，可帶來更多的高清布點。更高清的普及可能還需要一段時間才能進入穩定發展期，但并不表示H.265在當下就沒有用武之地了。以現今平安城市中炙手可熱的1080p全高清監控為例，采用當前視頻壓縮標準普遍需要4M以上碼率才能保證圖像質量，這也導致了很多系統都采取了“部分點位先高清”的策略。如果采用H.265編碼，按照現有的測試，1080p僅需1～2M左右的碼率，這對于高清系統的建設是一種極大的誘惑。一方面，對于一些已經建成的標清系統，幾乎可以在其存儲池容量不變的情況下直接升級為1080p全高清系統，而對于一些新建的高清系統，其系統存儲成本將大大減少。可以預見的是，在H.265的滋潤下，高清點位更將雨后春筍般布滿各個安防監控系統。

H.265與4K超高清完美結合

H.264讓1080p風暴席卷了全球，但卻再也無力引領4K潮流。H.264引以為豪的高壓縮率在4K的龐大體積中顯得是如此無能力，牽引4K乃至8K視頻的重擔，就落在H.264的繼任者——H.265身上了。4K技術是視頻領域的一個突破，其更為寬廣的色域、更為高清的分辨率給了人們更為豐富逼真的視覺體驗，但對于視頻編碼處理來說4K是一個巨大的壓力和挑戰，但H.265以其超高的視頻壓縮率和智能化實現了和4K的完美結合，更為寬廣的宏塊和并行處理速度呈現了纖毫畢現的細膩畫質，豐富絕倫的圖像細節，流暢自然的播放效果。高清和智能實際是需求與被需求的關系，高清產生的海量數據需要智能協助處理，智能分析需要清晰的、高質量的圖像支撐。清晰度的提升，意味著圖像細節更豐富，同時也更意味著取證、調查、分析的數據更可靠。

H.265標準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。說到高清系統的聯網，帶寬資源和網絡穩定性十分寶貴。如何更快的提高處理效率，現有壓縮標準又遇到了難題。比如日益增長的1080p高清點位，造成安防網絡的擁堵和存儲數據的急劇膨脹。H.265又拯救了這個帶寬資源有限的世界。打一個比方，把公路比成安防的網絡，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。試想一下，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碼流的大小不變呢? H.265又一次改變了安防的高清視界。

與此同時，LTE等4G無線技術能以更低的每比特成本支持高得多的容量，從而顯著提高了視頻業務的商用可行性。預計，這種趨勢在未來幾年還將繼續，視頻內容的帶寬要求將進一步降低，運營商將獲得所需的解決方案和網絡靈活性，以經濟高效地向用戶提供真正的移動視頻和多媒體體驗。另一方面，移動終端的顯示屏技術正向著超高ppi與超高清分辨率的方向發展。因此，H.265的高壓縮率特性，將進一步促使高清甚至超高清視頻在4G網絡下流暢傳輸的應用普及.

H.265標準為存儲帶來更大的便捷

隨著用戶對監控視頻質量的要求越來越高，高清視頻在安防監控中的應用越來越普及，由此帶來了存儲成本與空間的急劇上升。與現在正在使用的H.264編碼技術相比，H.265的高壓縮率特性能夠節省一半左右的存儲空間，從而顯著降低了視頻的存儲成本。隨著半導體技術的發展，解決了H.265計算復雜度的瓶頸后，在超高清監控應用方面，就像H.264替換之前的MPEG-2一樣，H.265必然會替換現在的H.264技術。

H.265在后端，可帶來更小的存儲容量。分辨率從CIF→D1→720p→1080p，最頭疼的就是數據量增加帶來的存儲問題。但是，如果采用H.265來降低碼流，一個本來只能容納1000個攝像機的存儲池，現在可以裝2000個，甚至更多，而不用增加存儲的成本。反之，如果攝像機清晰度、視場角是以前的幾倍，而存儲不變，這就為更高清提供了一種很好的解決方案。試想，用4K攝像機捕捉視頻，一個攝像機能覆蓋的區域可能是以前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標準提高信息共享的效率

在大聯網的趨勢下，跨區域跨部門的信息共享變得尤為重要。當前各個業務部門的信息都有各自的情報來源，于是也就出現了，在一個路口安裝了多臺攝像機的情況，如此勢必造成龐大的冗余數據，信息共享無從談起。H.265不僅減輕了視頻情報的負重，更提升了視頻情報的質量。另外，由H.265帶來的更高清的好處，一個攝像機可照顧多項業務的應用需求，提升監控質量的同時，還能減少布點(相對傳統來說是覆蓋了更多區域)，可以讓系統包含更豐富的視頻數據。如此一來，H.265很好地使各部門的情報去粗取精，減輕網絡負擔，有效提升了信息共享的效率。

上述現象也意味著，各行業的信息交互需求在安防領域中將愈加突出，視頻作為數據量最大的非結構化信息之一，其壓縮標準逐漸成為通用的基礎定義，行業應用特征已經開始弱化。H.265的通用性可更好服務于各業務的融合和管理。

H.265和智能算法的結合

除了高清化的趨勢，還有一種趨勢是智能化和H.265編碼的有機配合。從算法的角度理解，視頻壓縮算法中也使用了大量的智能分析算法，視頻壓縮的根本是根據對視頻圖像場景的理解，有效的剔除時間冗余、空間冗余、概率冗余等，在保留信息的前提下，達到壓縮的目的，以盡可能的接近視頻圖像信息熵。若智能分析算法和H.265編碼器更大程度的結合使用，更能進一步降低碼率，提升圖像質量。目前H.265還在標準的發展和推廣階段，智能化算法的優化是推動H.265技術進一步發展和突破的助力。

H.265技術現階段發展制約因素

H.265取代H.264是一個系統化升級，除了前端IPC、后端NVR、存儲，還需要平臺、解碼、顯示等各個環節的升級，近年來H.265相關產品蓬勃發展，但是冷靜分析整個安防市場，基于以下兩個原因，H.265不會斷崖式切換H.264市場。

H.265相互之間不兼容，沒有一個通用的兼容協議，眾所周知，現在IPC和NVR或者平臺對接都是基于onvif、GB28181等標準，但是這些標準都是依據H.264的編碼為基礎，不兼容H.265編碼。舉例來說，前端是廠商A的H.265編碼IPC，后端是廠商B的H.265編碼NVR，兩者之間配合只能工作在H.264模式。這都用戶來說要么全套系統都統一廠家，要么就買H.265的產品工作在H.264的模式。顯然這兩種選擇對現在用戶來說都不是最佳選擇。

工程商動力不大，雖然是新技術，但是對于工程商來說硬盤數量會大幅減少，這部分利潤受損。為何會這樣呢，我們知道使用H.265產品就意味著同樣的畫質存儲同樣的時間，硬盤的用量會比之間H.264減少一半，而且一個項目后端的成本占據70%左右，這就意味著整體的預算要下降20%～30%左右。所以對工程商來說，H.265雖然是個好技術，新趨勢，但是他們并不想去大力推。

由于開發的難度以及對于硬件支持的高要求使得H.265的發展受到了一定的阻礙，但安防行業編解碼未來的發展趨勢是更高的壓縮性，更高清的視頻效果，雖然今天H.264仍然占據了網絡視頻碼流的80%左右，但是未來的十年間，H.265一定會以自身的優勢成為絕對的核心主流占據絕大多數的市場，同時隨著互聯網時代的推動，H.265的發展和推廣會更快速，更廣泛。

基于H.265新品迭出

H.265標準的頒布和4K技術的實現，安防企業紛紛推出了基于H.265和基于4K的相關產品。例如將4K技術應用于圖像增強、圖像恢復、熱度圖、車輛檢索、人臉人體屬性分析、人臉大庫檢索、三維立體識別、視頻摘要、濃縮播放、大數據、云存儲等領域，相應推出H.265高清解決方案等新品，像H.265高清 4K NVR新品——DH-NVR-4K系列。該系列產品擁有大華自主知識產品，支持H.265和4K解碼，不僅看的更清、傳得更快、存的更省，還集斷網續傳、前智能接入等功能于一體，系統兼容性于穩定性高，適用于公安、交通、智能樓宇、企業等場所監控項目。

支持H.265和4K解碼

該列產品全線支持H.265視頻解碼技術，支持5路H.265 1080P解碼輸出。相對于H.264，H.265在保證畫質相當的情況下，對網絡帶寬的需求減少50%左右，對存儲需求相應減少50%左右，讓超高清畫質及低帶寬網絡傳輸、存儲與現實得以完美呈現；產品最高支持2路4K解碼輸出，圖像精細度提升，相同區域內現實的微觀信息更多。

嵌入式方案性能更穩定

該系列產品采用嵌入式Linux實時操作系統，功耗更低、穩定性更強、壽命更久、MTBF達到10萬小時，全面兼容目前各主流網絡攝像機；最大支持8個SAS3.0硬盤接口，實現本地容量擴展；可配套PC端、移動端大華平臺軟件組成方案，支持第三方平臺接入；支持即時回放，在預覽畫面下回放指定通道錄像；支持Smart IPC接入，實現人員檢測、場景變更、人臉偵測等功能，變身帶大腦的智能NVR產品。

斷網續傳數據更安全

該系列產品支持ANR斷網續傳功能，當NVR和IPC之間出現斷網，錄像暫時保存在IPC的SD卡存儲媒介中，網絡恢復后按照一定策略，待網絡空閑時傳給NVR，保證錄像數據完整，不丟失；配置雙千兆網絡，支持容錯、負載均衡和雙網分離，加強網絡數據處理能力，使系統能夠連續正常運行。

結束語

人們對高清的追求是永無止境的，4K只是順應時代需求的必然產物。理論上講，4K仍是視頻監控高清浪潮的延續，但是4K帶來的絕不僅僅只是分辨率的增加，因為要真正實現4K的超高清監控，需要一系列視音頻編解碼、圖像處理、智能分析等技術來支撐，這也是H.265編碼標準發布后所帶來的一個極大利好消息，將快速推動整個監控行業技術的變革。

盡管超高清監控的實現是需要整個監控系統相互配合，涉及到采集、編碼、傳輸、存儲及解碼顯示等多個方面的限制和配合程度。但是隨著各種4K設備的推陳出新，隨著H.265技術的發展，想必超高清將在未來的安防領域有著廣闊的應用前景。