H.265技术引领高清时代的到来

□ 文 /徐旺

作者单位: 浙江大华技术股份有限公司

4K高清来袭，H.265编解码器愈发重要。高清化是用户的需求，也是视频监控发展的趋势。然而高清化带来的传输及存储方面的问题，也让企业头痛不已。如何解决视频传输及存储？H.265技术应运而生。

H.265编码技术简介

2010年1月，ITU-T和ISO下的动态图像专家组（MPEG）联合成立JCT-VC组织，着手统一制定下一代编码标准，2010年4月在德国德累斯顿召开了JCT-VT第一次会议，确定新一代视频编码标准名称HEVC，即H.265标准。新一代视频压缩标准的核心目标是在H.264的基础上，压缩效率提高一倍。即在保证相同视频质量的前提下，视频流的码率减少50%；而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的技术优势

首先，H.265标准具有灵活的编码结构。在H.265中，将宏块(Macro Block)的大小从H.264的 4×4、8×8、16×16 扩展到了32×32、64×64、甚至于128×128的宏块，以便于高分辨率视频的压缩。同时，H.265采用了更加灵活的编码结构来提高编码效率，包括编码单元(Coding Unit)、预测单元(Predict Unit)和变换单元(Transform Unit)。

其次，拥有灵活的块结构—RQT(Residual Quad-tree Transform)。RQT是一种自我调整的变换技术，这种思想是对H.264/AVCABT(Adaptive Block-size Transform)技术的延伸和扩展。对于帧间编码来说，它允许变换块的大小根据运动补偿块的大小进行自我调整的调整；对于帧内编码来说，它允许变换块的大小根据帧内预测残差的特性进行自我调整的调整。大块的变换相对于小块的变换，一方面能够提供更好的能量集中效果，并能在量化后保存更多的影像细节，但是另一方面在量化后却会带来更多的振铃效应。因此，根据当前块信号的特性，自适应的选择变换块大小，可以得到能量集中、细节保留程度以及影像的振铃效应三者最优的折中。

再次，采样点自我调整偏移(Sample Adaptive Offset)。SAO在编译码环路内，位于Deblock之后，通过对重建影像的分类，对每一类影像画素值加减一个偏移，达到减少失真的目的，从而提高压缩率，减少码流量。采用SAO后，平均可以减少2%～6%的码流，而编码器和译码器的性能消耗仅仅增加了约2%。

最后，H.265采用了并行化设计思路。当前芯片架构已经从单核性能逐渐往多核并行方向发展，因此为了适应并行化程度非常高的芯片，H.265引入了很多并行运算的优化思路，克服了H.264的缺陷。

H.265技术对安防行业的影响

H.265标准为前端带来更多的高清布点

伴随着视频压缩标准的一次次进步，安防监控从模拟、数字、网络到高清智能化，安防正步入大联网时代。在安防大联网时代下，用户追求更大图像、更大集成、更大融合，更注重数据的全局性、效率性和关联性，这就涉及到大数据理念的深度应用，也就意味着需要更多的更高清布点，更快的处理效率和更全的关联信息。此时，在很多方面当前的视频压缩标准已开始力不从心。如何突破? H.265的到来令整个安防界都茅塞顿开。

H.265在前端，可带来更多的高清布点。更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。以现今平安城市中炙手可热的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，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，高清点位更将雨后春笋般布满各个安防监控系统。

H.265与4K超高清完美结合

H.264让1080p风暴席卷了全球，但却再也无力引领4K潮流。H.264引以为豪的高压缩率在4K的庞大体积中显得是如此无能力，牵引4K乃至8K视频的重担，就落在H.264的继任者——H.265身上了。4K技术是视频领域的一个突破，其更为宽广的色域、更为高清的分辨率给了人们更为丰富逼真的视觉体验，但对于视频编码处理来说4K是一个巨大的压力和挑战，但H.265以其超高的视频压缩率和智能化实现了和4K的完美结合，更为宽广的宏块和并行处理速度呈现了纤毫毕现的细腻画质，丰富绝伦的图像细节，流畅自然的播放效果。高清和智能实际是需求与被需求的关系，高清产生的海量数据需要智能协助处理，智能分析需要清晰的、高质量的图像支撑。清晰度的提升，意味着图像细节更丰富，同时也更意味着取证、调查、分析的数据更可靠。

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。试想一下，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呢? H.265又一次改变了安防的高清视界。

与此同时，LTE等4G无线技术能以更低的每比特成本支持高得多的容量，从而显著提高了视频业务的商用可行性。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标准提高信息共享的效率

在大联网的趋势下，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。

上述现象也意味着，各行业的信息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和智能算法的结合

除了高清化的趋势，还有一种趋势是智能化和H.265编码的有机配合。从算法的角度理解，视频压缩算法中也使用了大量的智能分析算法，视频压缩的根本是根据对视频图像场景的理解，有效的剔除时间冗余、空间冗余、概率冗余等，在保留信息的前提下，达到压缩的目的，以尽可能的接近视频图像信息熵。若智能分析算法和H.265编码器更大程度的结合使用，更能进一步降低码率，提升图像质量。目前H.265还在标准的发展和推广阶段，智能化算法的优化是推动H.265技术进一步发展和突破的助力。

H.265技术现阶段发展制约因素

H.265取代H.264是一个系统化升级，除了前端IPC、后端NVR、存储，还需要平台、解码、显示等各个环节的升级，近年来H.265相关产品蓬勃发展，但是冷静分析整个安防市场，基于以下两个原因，H.265不会断崖式切换H.264市场。

H.265相互之间不兼容，没有一个通用的兼容协议，众所周知，现在IPC和NVR或者平台对接都是基于onvif、GB28181等标准，但是这些标准都是依据H.264的编码为基础，不兼容H.265编码。举例来说，前端是厂商A的H.265编码IPC，后端是厂商B的H.265编码NVR，两者之间配合只能工作在H.264模式。这都用户来说要么全套系统都统一厂家，要么就买H.265的产品工作在H.264的模式。显然这两种选择对现在用户来说都不是最佳选择。

工程商动力不大，虽然是新技术，但是对于工程商来说硬盘数量会大幅减少，这部分利润受损。为何会这样呢，我们知道使用H.265产品就意味着同样的画质存储同样的时间，硬盘的用量会比之间H.264减少一半，而且一个项目后端的成本占据70%左右，这就意味着整体的预算要下降20%～30%左右。所以对工程商来说，H.265虽然是个好技术，新趋势，但是他们并不想去大力推。

由于开发的难度以及对于硬件支持的高要求使得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，更高清的视频效果，虽然今天H.264仍然占据了网络视频码流的80%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的核心主流占据绝大多数的市场，同时随着互联网时代的推动，H.265的发展和推广会更快速，更广泛。

基于H.265新品迭出

H.265标准的颁布和4K技术的实现，安防企业纷纷推出了基于H.265和基于4K的相关产品。例如将4K技术应用于图像增强、图像恢复、热度图、车辆检索、人脸人体属性分析、人脸大库检索、三维立体识别、视频摘要、浓缩播放、大数据、云存储等领域，相应推出H.265高清解决方案等新品，像H.265高清 4K NVR新品——DH-NVR-4K系列。该系列产品拥有大华自主知识产品，支持H.265和4K解码，不仅看的更清、传得更快、存的更省，还集断网续传、前智能接入等功能于一体，系统兼容性于稳定性高，适用于公安、交通、智能楼宇、企业等场所监控项目。

支持H.265和4K解码

该列产品全线支持H.265视频解码技术，支持5路H.265 1080P解码输出。相对于H.264，H.265在保证画质相当的情况下，对网络带宽的需求减少50%左右，对存储需求相应减少50%左右，让超高清画质及低带宽网络传输、存储与现实得以完美呈现；产品最高支持2路4K解码输出，图像精细度提升，相同区域内现实的微观信息更多。

嵌入式方案性能更稳定

该系列产品采用嵌入式Linux实时操作系统，功耗更低、稳定性更强、寿命更久、MTBF达到10万小时，全面兼容目前各主流网络摄像机；最大支持8个SAS3.0硬盘接口，实现本地容量扩展；可配套PC端、移动端大华平台软件组成方案，支持第三方平台接入；支持即时回放，在预览画面下回放指定通道录像；支持Smart IPC接入，实现人员检测、场景变更、人脸侦测等功能，变身带大脑的智能NVR产品。

断网续传数据更安全

该系列产品支持ANR断网续传功能，当NVR和IPC之间出现断网，录像暂时保存在IPC的SD卡存储媒介中，网络恢复后按照一定策略，待网络空闲时传给NVR，保证录像数据完整，不丢失；配置双千兆网络，支持容错、负载均衡和双网分离，加强网络数据处理能力，使系统能够连续正常运行。

结束语

人们对高清的追求是永无止境的，4K只是顺应时代需求的必然产物。理论上讲，4K仍是视频监控高清浪潮的延续，但是4K带来的绝不仅仅只是分辨率的增加，因为要真正实现4K的超高清监控，需要一系列视音频编解码、图像处理、智能分析等技术来支撑，这也是H.265编码标准发布后所带来的一个极大利好消息，将快速推动整个监控行业技术的变革。

尽管超高清监控的实现是需要整个监控系统相互配合，涉及到采集、编码、传输、存储及解码显示等多个方面的限制和配合程度。但是随着各种4K设备的推陈出新，随着H.265技术的发展，想必超高清将在未来的安防领域有着广阔的应用前景。