我为4K而来— H.265与超高清双轮驱动安防技术驶入快车道

□/文本刊记 者罗超

一个新事物的出现往往促生另一事物的出现，在追逐高清无止境的当下，中国安防产业因为4K的出现而精彩，又因其出现产生了技术瓶颈，如何突破自身桎梏，成为行业思考。于是，我们将关注点指向——H.265。

一个新事物的出现往往促生另一事物的出现，在追逐高清无止境的当下，中国安防产业因为4K的出现而精彩，又因其出现产生了技术瓶颈，如何突破自身桎梏，成为行业思考。于是，我们将关注点指向——H.265。

H.265全面超越H.264

H.264视频编码技术对于视频监控行业有着莫大的里程碑意义，不管从产品形态DVRNVR等，也是行业数字取代模拟监控的始作俑者之一。但，一项技术总有退出历史舞台的时候。接班者H.265因4K而来。

视频监控行业应用的H.265是什么？H.265是ITU-TVCEG继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。具体的研究内容包括：提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H264由于算法优化，可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送；H265则可以实现利用1～2Mbps的传输速度传送720P（分辨率1280*720）普通高清音视频传送。在视频监控行业，H.265旨在在有限带宽下传输更高质量的网络视频，仅需原先的一半带宽即可播放相同质量的视频。这也意味着，我们的智能手机、平板机等移动设备将能够直接在线播放1080p的全高清视频。H.265标准也同时支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清视频。可以说，H.265标准让网络视频跟上了显示屏“高分辨率化”的脚步。

H.265与同门师兄比较H.264，是全面超越。

首先，相较于传统的H.264视频编码技术，H.265关键的技术突破在于编码单元切割的区别上。众所周知，视频流是一幅幅连续的图片不间断播放产生的动态效果，国内的标准是每秒钟25帧图片。编码单元切割即对每一张图片进行宏块切割并对每个宏块进行单独数字编码。通常来说，H.264每个宏块像素大小都是均匀固定的，并对均匀的宏块进行编码，所以H.264编码产生的视频流数据大小比较固定，偏差不会太大。H.265新型编码标准，编码宏块像素大小根据区域图色信息来决定的，换句话说，信息量变化不明显的区域，划分的宏块较大，图色信息量复杂的区域，划分的宏块小而密集。这样不仅保证了用H.265方式编码的视频画面更加细腻，同时，码流却更加的节省了。数据表明，在相同的视频画面下，通过H.265编码的视频大小，相较于H.264编码，视频流大小节省了30%～50%，并且，编码耗时降低了70%～80%。事实证明，H.265让视频编码技术踏出更节能、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来降低码率，以编码单位来说，最小的8x8到最大的64x64。信息量不多的区域(颜色变化不明显，比如车体的红色部分和地面的灰色部分)划分的宏块较大，编码后的码字较少，而细节多的地方(轮胎)划分的宏块就相应的小和多一些，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，从而降低了整体的码率，编码效率就相应提高了。同时，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，这对于现在的人工智能安防应用有巨大的技术提升力。

最后，基于H.265的网络视频监控系统，除了前端网络摄像机编码实现节省码流、降低能耗外，后端存储能够实现低能耗H.265解码，也是很重要的一个环节，因为低能耗，从设备角度来说，即代表着低设备成本和高性价比。

值得一提的是，事实上，在视频监控行业的H.265和H.264标准在各种功能上有一些重叠。例如，H.264标准中的Hi10P部分就支持10bit色深的视频。另一个，H.264的部分(Hi444PP)还可以支持4：4：4色度抽样和14比特色深。在这种情况下，H.265和H.264的区别就体现在前者可以使用更少的带宽来提供同样的功能，其代价就是设备计算能力，H.265编码的视频需要更多的计算能力来解码。

H.265推动安防监控进入4K视界

与智能监控不同，4K有明确的标准，800万像素即为4K，是传统主流全高清1080P的4倍，是高清720P的8-9倍左右。如此之大的分辨率，4K监控的整体成本过高，编解码芯片、算法、网络传输、存储等方面仍然存在不小的瓶颈。正因为技术存在壁垒，所以价格高居不下。H.265就是要跨过技术壁垒，支撑4K的未来。不过，这个观点也不是全行业都一致认同，2016年记者在北京安防展会索尼的“领航4K、至臻至诚”安防新品推介会上了解到，索尼对H.264编码性能进行深度优化，可以在4K分辨率下保持每秒6M码流，与此同时，索尼利用ROI降低带宽，他们独有的智能编码和智能剪裁两大绝技，为4K的应用提供可能，但行业大多数的声音是，H.265，支撑4K的未来。目前主流的H.264压缩技术在高清视频监控应用中，也呈现出越来越多的局限性。带宽、存储、网络和系统建设成本等成为制约行业快速向全面超高清化发展的天花板。

为了解决这一问题，H.265应用而生。H.265是实现超高清的关键性技术。该名词全称“高效视频编码”，主要研究内容包括：提高压缩效率、提高错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度。旨在解决有限带宽下传输更高质量的网络高清视频，仅需原先的一半带宽即可播放相同质量的视频。H.265包括编码单元、预测单元和变换单元。在此混合编码框架下，H.265进行了大量的技术创新，其中具有代表性的技术方案有：基于大尺寸四叉树块的分割结构和残差编码结构、多角度帧内预测技术、运动估计融合技术、高精度运动补偿技术、自适应环路滤波技术以及基于语义的熵编码技术等。和H.264相比，H.265的编码效率要比前者提高50%，即在同等图像质量条件下，目标码率下降到H.264的50%左右。

可以说，H.265编码技术所具有的低带宽、低存储等特性开创了视频监控领域的又一个新的里程碑，也让4K超高清在安防监控领域的普及成为了可能。然而，这种仅需原来一半带宽即可播放相同质量视频的高效率是显而易见的，但是其付出的代价就在于需要拥有非常高的计算能力来进行解码。目前行业内各个编解码芯片厂家也在逐步推出基于H.265算法的产品，但居高不下的成本也在一定程度上限制了H.265的普及。尚维国际网络有限公司产品经理张海波也持该观点，他认为超过200万以上的监控，H.265才有优势，而200万以上的超高清监控产品，价格本身就是一个坎，只有价格亲民，H.265和4K这个孪生兄弟，才有应用价值。

H.265行业深远影响

从目前看来，H.265对安防行业有深远影响，除了推动安防监控进入4K视界之外，还必将加速视频监控产品升级换代和成本构成的改变。比如：伴随着4G技术的逐步普及和未来5G的应用，H.265在移动终端将有更多应用的可能。具体来看，影响如下：

带来更多的高清布点

超高清的普及可能还需要一段时间才能进入稳定发展期，但并不表示H.265在当下就没有用武之地了。以现今雪亮工程中炙手可热的1080p全高清监控为例，采用当前视频压缩标准普遍需要4M以上码率才能保证图像质量，这也导致了很多系统都采取了“部分点位先高清”的策略。如果采用H.265编码，按照现有的测试，1080p仅需1～2M左右的码率，而早期系统建设的标清D1格式也只能做到1.5～2M左右的码率，这对于高清系统的建设是一种极大的诱惑。一方面，对于一些已经建成的标清系统，几乎可以在其存储池容量不变的情况下直接升级为1080p全高清系统，而对于一些新建的高清系统，其系统存储成本将大大减少。可以预见的是，在H.265的滋润下，高清点位更将如雨后春笋般布满各个安防监控系统。

为存储带来更大的便捷

随着用户对监控视频质量的要求越来越高，高清视频在安防监控中的应用越来越普及，由此带来了存储成本与空间的急剧上升。与现在正在使用的H.264编码技术相比，H.265的高压缩率特性能够节省一半左右的存储空间，从而显著降低了视频的存储成本。随着半导体技术的发展，解决了H.265计算复杂度的瓶颈后，在超高清监控应用方面，就像H.264替换之前的MPEG-2一样，H.265必然会替换现在的H.264技术。H.265在后端，可带来更小的存储容量。分辨率从CIF→D1→720p→1080p，最头疼的就是数据量增加带来的存储问题。但是，如果采用H.265来降低码流，一个本来只能容纳1000个摄像机的存储池，现在可以装2000个，甚至更多，而不用增加存储的成本。反之，如果摄像机清晰度、视场角是以前的几倍，而存储不变，这就为更高清提供了一种很好的解决方案。试想，用4K摄像机捕捉视频，一个摄像机能覆盖的区域可能是以前1080p的4倍，并且为更多的智能化分析提供了更好的保障。

H.265标准为传输带来更快的处理效率

H.265在传输，可带来更快的处理效率。说到高清系统的联网，带宽资源和网络稳定性十分宝贵。如何更快的提高处理效率，现有压缩标准又遇到了难题。比如日益增长的1080p高清点位，造成安防网络的拥堵和存储数据的急剧膨胀。H.265又拯救了这个带宽资源有限的世界。打一个比方，把公路比成安防的网络，将车辆比作视频的码流，H.265的到来将原本拥堵的安防公路瞬间变得非常通畅。比如4车道的公路，宽度不变，如果车辆缩小一倍以上，那4车道瞬间变成了8车道，就有效缓解了安防公路的拥堵问题。反过来看，在更高清监控到来之际，码流越来越大造成更拥堵的状况，但是如果视频清晰度提升之时码流的大小不变。预计这种趋势在未来几年还将继续，视频内容的带宽要求将进一步降低，运营商将获得所需的解决方案和网络灵活性，以经济高效地向用户提供真正的移动视频和多媒体体验。另一方面，移动终端的显示屏技术正向着超高ppi与超高清分辨率的方向发展。因此，H.265的高压缩率特性，将进一步促使高清甚至超高清视频在4G网络下流畅传输的应用普及。

H.265标准提高信息共享的效率

在大数据趋势下，跨区域跨部门的信息共享变得尤为重要。当前各个业务部门的信息都有各自的情报来源，于是也就出现了，在一个路口安装了多台摄像机的情况，如此势必造成庞大的冗余数据，信息共享无从谈起。H.265不仅减轻了视频情报的负重，更提升了视频情报的质量。另外，由H.265带来的更高清的好处，一个摄像机可照顾多项业务的应用需求，提升监控质量的同时，还能减少布点(相对传统来说是覆盖了更多区域)，可以让系统包含更丰富的视频数据。如此一来，H.265很好地使各部门的情报去粗取精，减轻网络负担，有效提升了信息共享的效率。此外，各行业的数据交互需求在安防领域中将愈加突出，视频作为数据量最大的非结构化信息之一，其压缩标准逐渐成为通用的基础定义，行业应用特征已经开始弱化，H.265的通用性可更好服务于各业务的融合和管理。

H.265安防前景无限好但还需完善

从上看出，H.265安防前景还是无限美好的，但我们也应该看到其发展中遇到了一些问题。

H.265 HEVC的专利授权问题

效率更高的H.265视频编码标准可用于下一代更高分辨率和更精巧的数字视频产品设计中。但是我们应该看到可能阻碍采用HEVC的一个因素无疑与专利使用权费有关。与H.264一样，许多对HEVC有贡献的技术为专利技术，而专利其持有者欲得到使用其知识产权的补偿。目前，供应商申请的H.265 HEVC技术专利可能高达5000项之多。但截至目前，谁拥有哪些专利?数量有多少?以及厂商们预计的授权费用等，都尚未明朗。与视频监控有关的芯片制造商就新标准本身而言，许多握有相关专利的业者并未参与之前的专利池，包括联发科、高通(Qualcom)和三星等，他们都不想加入该组织，而是倾向于自行收取授权费。2018年1月美国博通公司(Broadcom)在CES大展上发布了一款Brahma BCM 7445芯片，它是一个采用28纳米工艺的四核处理器，可以同时转码四个1080P视频数据流或解析分辨率为4096×2160的H.265编码超高清视频，该芯片对于安防行业来说，是个利好消息。

H.265标准的配套、联网问题

对于视频监控应用来说，存储时长和容量成本一直是方案设计时需要反复权衡的关键矛盾之一。当大规模联网模式和集中存储方案开始推广后，网络带宽的瓶颈也逐步浮现。尤其是高清应用的普及，更凸显了这些问题，提高压缩性能的需求日益迫切。面对这种情况，安防行业技术较为领先的厂家，一方面开始采用H.264的高级算法如CABAC、8x8Transform、ScalingMatrix等继续提高压缩比，并且结合SVC、ROI等应用技术进一步改善效果;另一方面，随着IT技术发展趋势，安防企业也将眼光放在了H.265上。但是在实际的推广中还存在着很多制约因素，H.265算法的编码复杂度较高。如果使用DSP、x86等通用处理器进行软件编码并希望获得明显超过H.264的性能，需要选择较为高端的产品平台，其成本与功耗对于嵌入式监控产品如IPCamera来说还算不上有竞争力的方案。

此外，H.265的系统方案，这里更多的是指文件封装层面的内容，也就涉及到各产品间的互联互通，H.265在安防中的大范围应用还是需要安防各企业的努力推动，比如推动GB/T28181支持H.265标准，但到目前为止，H.265还未被写入国家标准。

结束语

由于开发的难度、对于硬件支持的高要求和国家标准的未统一，使得H.265的发展受到了一定的阻碍，但安防行业编解码未来的发展趋势是更高的压缩性和更高清的视频效果。虽然当下H.264仍然占据了网络视频码流的70%左右，但是未来的十年间，H.265一定会以自身的优势成为绝对核心主流，同时随着4K的推动，H.265与之形成行业双轮驱动的技术态势，驱使行业进入技术发展快车道。