浅谈H.264 H.265视频编码及其在安防系统的应用

李 克 江西省科学技术馆 南昌市 330000

0 前言

伴随着视频技术、网络技术和图形芯片处理能力的不断发展，安防行业高清化成为发展趋势，720P、1080P已普及，安防UHD 4K高清等数字视频资源日渐丰富，随着超高清、极高清需求的增长及大数据应用产业链的快速发展，智能安防数字视频应用逐渐向高画质、高帧率、高压缩比发展，智能安防领域的4K、8K、全景等视频应用则迫切要求低带宽、低存储视频编码以满足数字视频应用的发展。

什么是视频编码？随着视频应用的数字化及高清视频的出现，视频储存就出现了数据量成倍增长的问题。一个长约60分钟的720×480标清视频，整个视频就包含了86400张图片（24帧/秒），每张图片平均500K，那么整部视频的需要的存储空间达到了43G。对于1080p的视频或者更高的4K视频，一分钟的未压缩素材可达30-40GB。视频数据的爆发性增长严重制约了数字视频应用采集和分析处理。而视频压缩编码则是解决这个问题的关键技术。数字视频原始素材的数据包含了数据信息和数据冗余。视频编码则是制定一套压缩标准，通过编码标准压缩处理文件中的数据，其实质是减少数据中的冗余。通过视频编码将原始视频进行处理、封装、转换，称为编码；使用者通过视频编码解码、转换、播放、传播，称为解码。通过数字视频编解码标准减小数据体积，节省储存空间和网络带宽，便于网络传输和视频应用。通过视频编码也就是视频压缩技术，数据压缩率从MPEG-1 的26∶1，到H.264（AVC）的100∶1、H.265（HEVC）200∶1。

1 什么是H.264、H.265

1.1 H.264编码

在讨论H.265 优势前，我们先来了解一下什么是H.264，H.264是国际电信联盟2007年发布的高度压缩数字视频编解码器标准，这个标准被命名为H.264/AVC。

（1）H.264的优点

◎低码率，高压缩比；

◎图像相对于之前的MPEG4、H.263更优；

◎网络适应性：内置互联网协议适配层，可以被映射各种网络环境中，具备嵌入互联网和移动通信的能力；

◎PSNR 性能：对比H.263，PSNR 性能高3—4dB，比MPEG4高2dB。

（2）H.264的局限性

◎分辨率的增加会造成数据信息出现大量的冗余；

◎H.264 熵编码算法CAVLC、CABAC 及图像去块效应算法为串行编码处理，制约了并行运算；

◎高分辨率支持不足。

1.2 H.265编码

针对H.264的不足，2013年2月，由国际电信联盟和ISO国际标准化组织组成的视频编码组发布了HEVC（High Efficiency Video Coding）视频编码标准，即为H.265标准，其核心是优化H.264编码方法，加入最新研究成果及新技术，提高压缩效率。

HEVC/H.265支持4K（4096×2160）和8K（8192×4320）等超高清UHD视频压缩。沿袭了H.26X和MPEG系列基于块的联合预测熵编码混合模型，对一些相关技术加以升级，针对H.264的缺陷进行了优化升级，以改善编码质量、延时及码流。

2 H.265核心技术

2.1 H.265的编码架构与关键技术

（1）编码结构灵活：支持8×8-64×64像素宏块，增加宏块单元可以提供更高的压缩效率压缩高分辨率的视频；把H.264的基本单元优化为变换单元（Transform Unit）、预测单元（Predict Unit）和编码单元（Coding Unit）三单元分离结构，增加了分区的灵活性，提升编码效率。

（2）RQT（Residual Quad-tree Transform，残差四叉树自适应变换）：四叉树结构的预测区域从64×64到4×4［1］。

（1）帧内预测方式：帧内预测相对于H.264的9种增加到35种，通过多种帧内预测去除空间冗余。

（2）帧间预测：H.265支持前向后向参考，通过编码图像作为参考帧，去除时间冗余［2］。

（3）加入并行计算优化设计。引入Tile、Entropy slice、WPP（Wave front Parallel Processing）等并行计算思路，使用并行度更高的编码算法，充分发挥GPU、FPGA、ASIC等并行化芯片架构的运行优势。

（4）SAO（Sample Adaptive Offse，采样适应抵消）：采用SAO技术，对重构图像像素，去除方块效应，减少失真，提高压缩率。

2.2 H.265的优势

（1）压缩效率更高，经测试，在视频质量相同的情况下H.265是H.264的压缩率的2倍，如图1所示；

图1 主要视频编码压缩率

（2）传输速率，传输一段720P高清H.264≥5Mbps；H265传输速度1～2Mbps；

表1 H.264和H.265主要技术参数对比表

（3）支持4K和8K超高清视频，契合高清、超高清视频发展的需求；

（4）H.265支持160帧/秒以上的高帧率应用；

（5）H.265具有网络适配层，以适应不同网络及视频应用，具备较好的网络纠错及健壮性，可以适用于多种网络架构；

（6）峰值信噪比（PSNR）显著减少。经BBC R&D视频编码研究团队测试验证，H.265在压缩效率方面的极大提升，确认了过去报道中采用客观质量指标（基于PSNR的方法）获得的结果。实际上，相较PSNR，采用主观的MOS（Mean Opinion Scores）量度，H.265 相较H.264在压缩方面显得优势更为巨大。如图2所示。

图2 主流编码峰值信噪比（PSNR）

3 H.265给安防行业带来新机遇

随着安防视频应用的快速发展和智能安防的市场渗透率的不断增加，安防行业逐渐向数字化、智能化转型，H.265在安防系统日渐普及，国内海康威视、大华、宇视等安防生产商已经陆续推出了基于H.265编码算法的压缩芯片，从市场表现来看，H.265技术给安防行业带来了很多新的机遇。

3.1 H.265编码可快速融入安防互联网+

随着云计算的发展不断助推安防智能化的应用，这些应用都需要强大的存储和计算能力。与此同时，分布式云计算基于网络互联互通的特点从而实现信息的跨地域共享。基于H.265的编解码芯片强大算力可以扩展出更多的智能分析应用。在H.265标准推动下，摄像机可兼顾多业务的应用需求，完成诸如视频监控、车牌识别、周界防范、人脸识别、人群聚集、音视频异常诊断等智能分析应用，同时减少布点，丰富视频数据应用，从而更好地融入分布式云计算节点，加速“互联网+安防”模式的进程。

3.2 H.265编码促进安防多行业的融合

随着移动5G技术的普及和商用，安防领域中流媒体业务将成为一个重要的视频应用，通过H.265的高压缩，低带宽的特点，运营商可以在保证质量的前提下更加经济高效地向用户提供移动视频和多媒体体验。H.265的低码率、高压缩将进一步促使高清、超高清视频的传输及应用，推动各专业突破边界，共同完成信息标准化整合，迈向物联网、大数据时代。

3.3 H.265编码使成本节约、扩容性更强

从表2可以看出，与H.264编码技术相比，H.265的高压缩率、低码流特性有效地降低高清视频联网的网络存储、带宽建设成本。系统进行高清扩容，可以增加更多的前端接入，为场景的智能化分析提供了更好的保障。

表2 H.264和H.265不同分辨率的存储对比

4 结束语

相信基于H.265的高压缩比、低码流、高帧率等性能，其先进的技术优势，一定会给安防行业带来更多新的机遇。

随着全球互联网视频需求的增长，2020年新一代视频编码标准H.266/VCC正式发布。H.266/VCC编解码器将在H.265基础上再减少50%的数据。如果H.266得到普及，超高清视频行业将迎来巨大革命。但是对于H.266编码来说，复杂的专利授权、高昂的授权费用严重影响了推广速度，与此同时，H.266编码还面临着更多的竞争对手，比如H.264、H.265牢不可破的地位，以及谷歌开源免费的VP9、AV1也很有竞争力。哪种视频编码能在视频时代应用广泛，还是要看各编码模块在性能、专利费、应用、产业支持及市场来决定。