H.265视频编码技术在天气实景观测系统的应用

施蔚然 高 攀 袁 伟



H.265视频编码技术在天气实景观测系统的应用

施蔚然 高 攀 袁 伟

福建省气象信息中心

在视频监控产品经历了模拟时代、数字时代、网络时代的发展过程后，现今已经进入了高清时代，用户对视频监控产品的要求也在不断提高，给现有视频压缩标准带来了越来越大的码流挑战。该文对H.265视频编码的关键技术进行介绍，在天气实景观测系统中采用1080p高清球机和最新的H.265编码技术，并与H.264编码视频进行对比分析，实现在有限带宽下传输更高质量的网络视频和节省存储空间。

H.264 H.265 高清视频 实景观测 视频编码

1 概述

随着多媒体技术、数字图像处理及网络传输等技术的发展，视频监控进入高清时代，模拟摄像机已无法满足气象部门全天候天气实况监测的需求，高清摄像机的应用实现了对天气实况、气象探测环境和天气过程实时观测的需求，尤其在灾害性天气来临时，为预报和公共气象服务部门提供及时服务。

视频编码是各类视频应用的核心，面对视频应用多样化和高清化的挑战，“高清”给现有视频压缩标准带来了越来越大的码流挑战。“高清”最早来源于数字电视领域，美国电影电视工程师协会提出了高清电视（HDTV）标准，分辨率需达到720p以上。H.264是ITU-T和ISO两个组织联合组建发布，是一套数字视频编解码标准，也称作MPEG-4 AVC(Advanced Video Codec，高级视频编码)，因其可以得到比之前其他编码标准更高的视频质量和更低的码率，而得到了人们的认可，被广泛应用于网络流媒体数据、各种高清晰度电视广播以及卫星电视广播等领域。国际标准化组织于2013年发布了新一代视频编码标准H.265/HEVC，标准全称为高效视频编码(High Efficiency Video Coding)，从编码框架上来说，H.265仍然沿用了H.264的混合编码框架，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进，以提高图像分辨率、降低带宽需求和节省存储空间。

2 H.265标准介绍

2.1 编码单位

H.264中，每个宏块(marcoblock，MB)大小都是固定的16×16像素，在更高分辨率下，单个宏块所表示的图像内容信息大大减少，导致对高清视频的压缩效率明显降低； H.265/HEVC编码单位可以选择从最小的8×8到最大的64×64。信息量不多的区域(颜色变化不明显，比如天空的灰色部分)划分的宏块较大，编码后的码字较少，而细节多的地方(细节变化较多，比如大楼部分)划分的宏块就相应小和多一些，编码后的码字较多，这样就相当于对图像进行了有重点的编码，这个过程在H.265上可以自适应识别实现，从而降低了整体的码率，提高了编码效率。

2.2 帧预测编码

由于分辨率的提高，表示同一个运动的运动矢量幅值也将大大增加，H.264编码方式中用来对运动矢量进行预测以及编码的压缩率也将逐渐降低。H.265的帧内预测模式支持33种方向(H.264只支持8种)，并且提供了更好的运动补偿处理和矢量预测方法；还引入了全新的SAO(Sample Adaptive Offset)参考帧补偿技术，从而提高帧间预测的准确度。

2.3 运算量

压缩率较高的编码技术往往要求计算复杂度越高，对设备的运算处理能力也要求越高。H.265编码压缩效率比H.264提高1倍，其代价是计算量的成倍增加，要求设备的计算能力更高。H.265编码需要增加较多的编码模式，并从中择优选取，增加了运算量；64×64像素图像块的保存需要更多的缓冲区；在运动补偿、变换量化、采样自适应滤波等方面的改进，也需要更多的硬件资源。但是针对H.265的更高效算法以及硬件处理技术的不断进步，可以有效控制和降低运算复杂度。在并行实现方面，H.265也采用了WPP (Wavefront Parallel Processing)和Tile技术，能够充分发挥当前主流处理器的多核并行能力，有效提高压缩性能。

2.4 编码压缩

H.265引入了图像块自适应四叉树划分，并采用一系列变尺度的图像纹理特征自适应编码技术，较大幅度提升了图像平坦区域的压缩能力，可以在同样的图像质量下，大幅降低压缩码率。图1是以标准测试序列Kristen and Sara（720P60）和Kimono1（1080P24）所得的结果，图中横坐标表示码率，纵坐标表示峰值信噪比(PSNR)，图像客观质量指标，各条曲线为各种常见的视频压缩标准。

根据测试，在1080P分辨率下，H.265相比H.264码率降低一半左右，并且分辨率越高，优势越显著。通过图片和实时视频的质量比较测试表明，在相同的图象质量下，相比于H.264，通过H.265编码的视频大小将减少大约39%～44%。由于质量控制的测定方法不同，这个数据也会有相应的变化。以目前主流的分辨率为例，在1080p分辨率下，H.265相比H.264码率降低40%～50%，在720p下降低30%～40%，这也就意味着，H.264标准下，1080p需要4M以上的码率来保证图像质量，若采用H.265视频压缩标准，则1080p仅需1~2M左右码流。此外，随着分辨率的提升，H.265码率也会降低更多。

3 H.265高清视频编码技术应用

3.1 系统架构

天气实景观测系统由前端高清球机、CVR存储、高清解码器和监控管理平台等设备组成。借助已建的省、市、县气象宽带专网，实现集中式管理与分布式部署相结合的系统架构。

前端采用1080P高清球机和最新H.265编码技术，实现实时视频、图像抓拍和视频录像；通过解码器将前端网络视频信号解码输出上电视墙，实现省级和分中心的天气实况视频单画面和多画面实时图像浏览；通过监控管理平台实现对前端设备、分控中心、总控中心的集中监控和管理。

图2 流媒体存储转发示意图

CVR ( Cloud Video Recorder ) 视频云存储设备是集编码设备管理、录像管理、存储和转发功能为一体的视频专用存储设备。即把录像功能和播放功能嵌入到存储设备中，实现编码器数据流直接写入存储，或通过流媒体转发写入存储。平台和客户端可以直接从存储中点播、下载。

3.2 系统功能

监控管理平台支持C/S和B/S架构，提供图形化管理界面。通过客户端和浏览器可以实时预览前端气象观测站的天气实况，对摄像头进行远程云台控制，实时视频、定时图像抓拍、视频存储和查询；通过设置预置点功能，实现摄像机按需自动转到预置点；支持多画面设置、全屏显示、图像抓拍、轮巡监控、局部放大、中心定位等。系统提供远程访问功能，管理人员可根据不同的权限对系统进行配置及监控，可对前端设备进行参数设置、远程维护等功能，提高设备维护效率。

为了实现集约高效的管理，系统平台具有较好的兼容性，以视频监控系统为核心，同时把气象观测要素、安全防范等系统整合进来，并把各系统有限关联起来，增加系统的集约性和高效性，实现集中控制的目的。

将气象观测仪器采集的温度、气压、湿度、雨量、风向、风速等传感器信号或信息接入系统，可实现气象信息在实时画面的直观展示，便于用户及时对当地的天气情况有定量和定性的了解；同时通过手机APP软件，用户可以实现对台站天气实况视频的随时随地浏览。

3.3 两种编码视频效果对比

设置前端摄像机传输码流，1920×1080(HD1080P)，H.265编码，采用变码率，视频码流上限(Mb)=2048，存储≈19.0G/天，视频图像见图3，占用存储空间见图5。

设置前端摄像机传输码流，1920×1080(HD1080P)，H.264编码，采用变码率，视频码流上限(Mb)=4096，存储≈23.9G/天，视频图像见图4，占用存储空间见图5。

通过主观视觉的反复测试显示，在码率减少的情况下，H.265编码视频的质量比H.264编码视频质量更好，即视频信噪比更好。

图3 H.265视频截图

图4 H.264视频截图

图5 H.265/ H.264视频录像占用存储空间对比

4 结语

作为新一代的视频压缩技术，H.265使用先进的视频编码技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度，相比之前的历代标准，可以在同样的图像质量下，大幅降低压缩码率，仅需1~2M的带宽即可播放1080P全高清视频；此外，H.265在对网络的适应性方面也有显著提升，可很好地运行在Internet等复杂网络条件下，这也使得H.265成为当下“最强”视频压缩技术。由于H.265标准是在H.264标准的基础之上逐步发展起来，可向下兼容H.264。

随着视频压缩率的提高，全高清视频网络播放将不再困难，尤其在通信带宽有限的卫星视频终端、智能手机、平板等移动设备能直接在线播放1080p的全高清视频；显示屏高分辨率化，也使H.265将是超高清视频4k/8k电视的选择。随着H.265视频编码技术与互联网、视频通信、影音娱乐等的进一步融合，H.265标准在未来几年将成为主流，具有广阔的应用前景。

[1] 万帅，杨付正. 新一代高效视频编码H.265/HEVC：原理、标准与实现[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2] 贾克斌，刘鹏宇. 基于H.264的视频编码处理技术与应用[M]. 北京：科学出版社，2013.

[3] Jens-Rainer Ohm, Gary J. Sullivan, H Schwarz, et al. Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards——Including High Efficiency Video Coding (HEVC)[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems for Video Technology, 2012, 22(22): 1669-1684.

[4] Gary J. Sullivan, Jens-Rainer Ohm, WJ Han, et al. Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems for Video Technology, 2012, 22(12): 1649-1668.