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    H.265網絡攝像機展及應用
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         視頻編碼技術是監控行業的基礎技術,編碼技術的變革和發展決定了行業的發展方向。2013年發布的H.265標準是最新一代視頻編碼標準,H.265標準在壓縮性能上比H.264提高了一倍左右,是監控行業最新的核心主流編碼技術,極大的推動了行業的進步。

    一、H.265技術簡介

    H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。H.265標準圍繞著現有的視頻編碼標準H.264,保留原來的某些技術,同時對一些相關的技術加以改進。新技術使用先進的技術用以改善碼流、編碼質量、延時和算法復雜度之間的關系,達到最優化設置。具體的研究內容包括:提高壓縮效率、提高魯棒性和錯誤恢復能力、減少實時的時延、減少信道獲取時間和隨機接入時延、降低復雜度等。H.264由于算法優化,可以以低于1Mbps的速度實現標清數字圖像傳送;H.265則可以實現利用1~2Mbps的傳輸速度傳送720P(分辨率1280*720)普通高清音視頻傳送。

     

    在編碼技術方面,H.265仍然采用標準的基于塊的混合編碼框架,但是每個技術模塊相對H.264都有提升和改進。基于塊的混合編碼框架包括幀內預測、幀間預測、變換編碼以及熵編碼技術,該框架成為了后續視頻編碼標準的基礎。

    二、H.265的優勢

    作為新一代視頻編碼標準,H.265仍然屬于預測加變換的混合編碼框架。然而,相對于H.264,H.265 在很多方面有了革命性的變化。H.265的技術優勢有:

    1、靈活的編碼結構

    H.265與H.264最大的差異在于編碼塊的劃分,H.264采用16x16的宏塊,而H.265中,將宏塊的大小從H.264的16×16擴展到了64×64,以便于高分辨率視頻的壓縮。同時,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)。編碼單元增大,能更好地利用圖像相鄰像素信息,對編碼效率的提升貢獻很大。

    其中編碼單元類似于H.264中的宏塊的概念,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。這三個單元的分離,使得變換、預測和編碼各個處理環節更加靈活,也有利于各環節的劃分更加符合視頻圖像的紋理特征,有利于各個單元更優化的完成各自的功能。H.265和H.264編碼能力對比見下圖:

     

    2、靈活的塊結構——RQT(ResidualQuad-tree Transform)

    RQT是一種自適應的變換技術,這種思想是對H.264中ABT(Adaptive Block-size Transform)技術的延伸和擴展。在幀內預測模塊中,H.265進一步豐富預測模式,將H.264原來最多9種方向預測擴展到35種;在幀間預測模塊,H.265改進了亞像素插值技術以及運動矢量預測技術;熵編碼模塊中,H.265拋棄了性能較低的CAVLC技術,只采用CABAC技術。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適應的調整;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適應的調整。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圖像細節,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、細節保留程度以及圖像的振鈴效應三者最優的折中。

    3、采樣點自適應偏移(SampleAdaptive Offset)

    SAO在編解碼環路內,位于Deblock之后,通過對重建圖像的分類,對每一類圖像像素值加減一個偏移,達到減少失真的目的,從而提高壓縮率,減少碼流。采用SAO后,平均可以減少2%~6%的碼流,而編碼器和解碼器的性能消耗僅僅增加了約2%。

    4、自適應環路濾波(AdaptiveLoop Filter)

    ALF在編解碼環路內,位于Deblock和SAO之后,用于恢復重建圖像以達到重建圖像與原始圖像之間的均方差(MSE)最小。ALF的系數是在幀級計算和傳輸的,可以整幀應用ALF,也可以對于基于塊或基于量化樹(quadtree)的部分區域進行ALF,如果是基于部分區域的ALF,還必須傳遞指示區域信息的附加信息。

    5、并行化設計

    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實現,H.265引入了很多并行運算的優化思路,用垂直和水平的邊界將圖像劃分為一些行和列,劃分出的矩形區域為一個Tile,每一個Tile包含整數個LCU(Largest Coding Unit),Tile之間可以互相獨立,以此實現并行處理。除了模塊性能改進,H.265標準在制定時考慮到多核化、并行化的趨勢,在標準中增加了并行處理技術WPP、Tile。WPP能夠讓H.265的編碼、解碼按圖像行并行,而Tile技術則按照圖像分塊并行。WPP和Tile都是可選配置,并不是在每個碼流中都支持,而且兩者只能開啟一個。

    三、H.265技術在監控產品上的發展趨勢

    1、H.265和高清化的結合

    今天的視頻監控領域面臨著多方面的挑戰和技術難題。隨著攝像機分辨率的不斷增加,出現了更大的百萬級像素、全景鷹眼攝像機、甚至是千萬級像素,比如:8MP、12MP。同時隨著互聯網技術的發展,遠程的視頻預覽觀看成為了主流的需求,遠程觀看這樣的大分辨率視頻而帶來了巨大的網絡傳輸壓力,同時超高清分辨率的監控視頻存儲也加大了存儲壓力。這幾個方面的困境已無法通過H.264進行突破,H.265相比H.264,對高清化視頻更高的壓縮率可極大的緩解這一壓力。比如,對3MP分辨率的H.265網絡攝像機,2Mbps的H.265的碼流解碼效果和4Mbps的H.264圖像效果相當。相比H.264,對視頻監控網絡方案實施和工程建設來說,能夠節省許多預算開支。

    2、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。

     

    3、H.265和4K的結合

    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。

     

    四、總結

    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。

    東莞邁視張金美整理

     

     

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