H.265在安防高清的应用价值分析

2019-12-05吕净

中国公共安全 2019年10期

□ 文 /吕净

安防行业的突飞猛进，人们对视频监控有了更高的追求，在未来一段时间内，高清化、智能化依然是视频监控发展的主旋律。高清化的普及，使高清带来的海量数据存储与分析问题变得更加引人注目，如何解决超高清与低存储之间的矛盾，让客户体验进一步提升，成为安防行业面临的主要问题。随着大安防时代的到来，4K和H.265编码技术相继问世，使安防行业“高分辨率化”的脚步向前迈进。

4K超高清的发展需求

人们对高清的追求是永无止境的，为获得更高的清晰度和更丰富的画面细节，4K技术因运而生。4K因其横向解析度约为4000像素而得名，其分辨率主要有3840*2160和4096*2160两种规格，4K分辨率相当于1080P的4倍，720P的8倍。4K技术画面更加自然清晰，画面细节更加丰富，在相同清晰度下其覆盖区域是1080P摄像机覆盖区域的4倍，所以部署4K摄像机可以降低成本，节省点位数。

但4K发展的限制是其需要现有H.264编码下四倍的超高带宽和存储空间，基本上超出了大部分网络的承受极限，存储成本大大增加。带宽、存储、网络和系统建设成本等发展限制成为制约行业快速向全面超高清化发展的天花板。这个问题，在H.265编码技术推出后，得到了很好解决。

H.265编码技术特点

为了面对以上发展趋势，2010年1月，ITUTVCEG和ISO/IEC MPEG联合成立JCT-VC了联合组织，统一制定H.265下一代编码标准：HEVC。H.265高效视频编码协议标准于2013年2月份正式在业界发布，确定整个基本框架结构。H.265保留了H.264的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进，以改善码流、提升编码质量、优化延时与算法复杂度之间的关系，达到最优的编码设置。

主要研究内容包括：提高压缩效率、提高错误恢复能力、减少实时的延时、减少信道获取时间和随机接入时间、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。

二叉树的编码分隔

随着分辨率的提高，H.264的 4×4、8×8、16×16宏块类型编码结构会造成宏块数量的爆发性增长，宏块信息的大量冗余。H.265引入了32×32、64×64甚至于128×128的宏块，灵活多变的宏块结构可以根据图像细节的多少采取适当的划分格式，降低冗余的宏块个数，控制用于描述宏块内容的参数信息，实现编码数据量的降低。同时，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、预测单元和变换单元。将三个单元独立化，使得各个处理单元能够更加优化的完成各自的功能，实现编码的灵活高效。

丰富的预测编码技术

H.265的帧内预测将原有的8种预测方向扩展为33种，覆盖整个180度的范围，并提供了DC和PLANAL两种平面预测方式，共计35种预测方式，提高了帧内预测的精度。

帧间预测是利用视频时间域的相关性，使用邻近已编码图像像素预测当前图像的像素，以达到有效去除视频时域冗余的目的。空域上相邻的运动矢量（MV）具有较强的相关性，H.265利用此特点提出了Merge和AMVP技术，都使用了空域和时域MV预测思想，通过建立候选MV列表，增加运动矢量预测值的候选个数，选取性能最优的一个作为当前预测单元的预测MV。

高精度的变换方式

H.265使用4种整数DCT变换，分别为4*4、8*8、16*16、32*32，更高的尺寸可以体现像素间的相关性，压缩率更高。H.265的整数DCT变换通过与较大的数相乘来保留一定的小数精度，比H264更接近于浮点DCT的值。

采样点自适应偏移

在编解码环路内的去块滤波之后引入采样点自适应偏移，SAO滤波的实质就是对去块滤波后的重建像素按照不同的模板进行分类，并对每种分类像素进行补偿，达到减少失真，提高压缩率，降低码流的目的。

并行处理

H.265具有多级的并行处理方式：波前并行处理：解码时各行并行处理，次第减少；图像组级并行处理：编码器多线程处理，每次处理一个GOP；图像级并行处理：IP帧为参考帧，但同级的B帧不会相互参考，高级的B帧也不会参考低级的B帧，所以可将B帧送给不同的运算单元类进行处理，使低级B帧提前解码完成；独立解码片（Slice）级并行处理：各片独立，并行解码；独立解码矩形（Tile）级并行处理：Tile间相互独立，并行解码；树形结构块（CTB）级并行处理：波前并行处理；熵编码并行处理：提高了压缩能力，降低对上下文存储的需求。

H.265的研发难点

芯片层

H.265编码器在算法的灵活度方面要大大加强了，最典型的是摒弃了以往以16×16固定编码块大小的做法，而是采用了更为灵活的编码块结构，这种灵活的结构使H.265的运算复杂度较H.264有数量级上的增加，需要芯片有更高的运算速度，以减少硬件资源占用和系统运行时钟。其次，H.265具有多级的并行处理方式，需要更多的硬件设计技巧和方法。

设备层

H.265的发展需要完整生态环境支持，涉及到采集、编码、传输、存储、译码显示各个方面。首先在编码阶段，需要在低码率下提供更高清晰度的图像，实现最优的宏块划分，使细节还原更贴近真实；其次是在传输及存储上，必须要对整个监控网络进行合理的升级和维护，需要能够传输4K信号的传输介质，使其支持高分辨率数据的实时传送，同时，高分辨率显示技术的摄像机对于NVR、DVR、平台服务器等设备的要求更高，后端需要更强的解码能力、更大的存储空间和更强的处理性能。

H.265的应用价值

高压缩率

H.265采用多样的宏块划分方式、帧内预测方向和帧间预测技术，具有更好的运动补偿处理方式和矢量预测方法，编码更加灵活，编码数据大幅降低。相比H.264，H.265编码可将码流降低40～50%，压缩比达到400:1，编码耗时降低70～80%。

高分辨率

H.265支持4K和8K（8192*4320）超高清分辨率，计算能力不再受到制约，跟上了显示屏高分辨率的脚步，使用户体验得到大幅提升。

存储便捷

随着用户对安防监控中高清视频的需求越来越高，所需存储空间急剧上升。与H.264编码技术相比，H.265的高压缩率可以节省一半的存储空间，通过降低码流来为客户节省存储成本。

信息共享

在这个物联网、云计算的时代，各部门的信息共享尤为重要。原H,264时代，由于分辨率的限制，各部门只能独立获取有效数据，造成采集点的冗余，无法实现信息共享。而H.265的超高清摄像机，采集视角广泛，可以同时实现多项业务的采集需求，减少同区域范围内的采集节点，有效提高了信息共享的效率。

成本降低

无论是高分辨实现的采集节点数目降低，还是高压缩率致使的存储空间下降，都会为客户节省系统的建设成本。同时，在保证画面质量不变的前提下，H.265的数据传输带宽和节点数量的明显降低，对交换机的要求不再苛刻，也为用户节省了投资成本。

H.265在安防领域的发展

H.265在安防行业具有广泛的发展前景，已经成为2016年安博会的关键词，成为安防行业各大厂商竞相追逐的对象，进行着一场高清化的行业变革。不少安防企业纷纷推出高性能的高清监控产品，为用户提供更优质的图像效果，更丰富的监控价值，更便捷的操作管理，更完善的维护体系。

4K高清视频技术的推广，只推出单一的前端产品无法满足客户的需求，要在“采传存显控”各个环节研制出相应的4K产品。为顺应4K高清视频自适应编解码的需求，为客户提供一套完整的4K解决方案，天地伟业前端推出了H.265星光级系列产品，星光卡口需要不断对车辆进行抓拍，对存储空间和带宽有很高的要求，H.265技术的引入极大的解决了这个问题，为客户完美呈现存储代价小的高清存储数据；后端推出了M7系列80路16盘H.265 NVR，该产品支持4K高清网络视频的预览、智能检索和回放；支持国标28181协议，支持自适应H.265/H.264压缩标准；具有多功能的面板接口：双HDMI接口，双VGA接口，双千兆网络接口，USB3.0接口，存储扩展接口ESATA等；提供强大的智能录像和检索，与IPC构成强大的智能分析功能，为H.265时代的到来保驾护航。