H.265 开启安防新时代

    在网络高清领域，高清和H.264是一对紧密无间的“好基友”，从H.264诞生到今年这十年间H.264对推动高清IPC的普及立下了汗马功劳，最终实现了一统江湖的局面。市面上几乎所有的IPC都是基于H.264编码，但是随着分辨率的提升，大路数的联网以及存储空间的暴增，让H.264的压缩变得越来越难以应付。基于这一点，H.265在13年1月被国际电联(ITU)通过为下一代高清标准，通过提供更多不同的工具来降低码率，在同等带宽条件下，H.265将原有画质提升50%，为整个安防行业带来新的变革。H.264统治了过去的十年，而未来的五年甚至十年，H.265将会成为主流，开启安防新的时代。

　　H.265的诞生

　　IPC江湖上流传的视频编码标准不下数十种，每种标准都可以说是厂商与各利益组织竞争、妥协、合作后的产物。这里我们简单把它们划为两个阶段：第一阶段可称为1080p及之前的阶段，这个阶段可称之为H.264时代;第二个阶段可称为后1080p时代，也包括目前愈演愈烈的4K时代，不过这个阶段的编码标准可称之为H.265时代。

　　高清编码标准第一阶段： H.264胜出

　　跟电信联盟最终确立了WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大3G标准一样，早前胜出的视频编码标准也有三种——MPEG-2、M-JPEG、H.264，其中MPEG-4问世比较早，也是最早实现硬解的，H.264也叫MPEG-4 AVC，有两个名字是因为早前它是由两个组织命名的，国际电联ITUT-T、ISO/IEC国际标准化组织分别给它取了名字。第三种标准M-JPEG是一种无需许可证的标准，具有广泛兼容性，普遍应用于诸如需要对视频序列中每一帧进行分析，一般每秒5帧以下低帧速的场合。M-JPEG还可以用来满足需要集成支持M-JPEG系统的应用需求。这三大标准中，MPEG-2出道时间早，压缩比小，占用空间大，影响也是最低的。H.264与M-JPEG是720p、1080p高清视频编码的两大主流，这得益与H.264的高压缩比和低带宽占用。

　　高清编码标准第二阶段：H.265横空出世

　　第一阶段的编码标准竞争犹如之前的3G标准，H.264最终成了3大标准中的WCDMA发展的最好。后1080p视频时代则是到了4G时代，如LTE一样在场的玩家所剩无几，有能力成为新一代标准的只有H.265。 从安防监控领域来看，这主要是由于产业链的快速发展，视频应用的发展朝着如下几个方面的趋势越来越明显：

　　更高清晰度(Higher Definition)：数字视频的应用格式从720P向1080P全面升级，随着分辨率的提升甚至出现了4K*2K、8K*4K的视频格式;

　　更高帧率(Higher frame rate )：视频帧率从30fps向60fps、120fps甚至240fps的应用场景升级;

　　更高压缩率(Higher Compression rate )：传输带宽和存储空间一直是视频应用中最为关键的资源，因此，在有限的空间和带宽中获得最佳的视频体验一直是用户的不懈追求。

　　由于数字视频应用在发展中面临上述趋势，如果继续采用H.264编码就出现的如下一些局限性：

　　(1) 宏块个数的爆发式增长，会导致用于编码宏块的预测模式、运动矢量、参考帧索引和量化级等宏块级参数信息所占用的码字过多，用于编码残差部分的码字明显减少。

　　(2) 分辨率的大大增加，单个宏块所表示的图像内容的信息大大减少，这将导致相邻的4 x 4或8 x 8块变换后的低频系数相似程度也大大提高，导致出现大量的冗余。

　　(3) 同一个运动的运动矢量的幅值也将随着分辨率的增加而大大增加，H.264中采用一个运动矢量预测值，对运动矢量差编码使用的是哥伦布指数编码，该编码方式的特点是数值越小使用的比特数越少。因此，随着运动矢量幅值的大幅增加，H.264中用来对运动矢量进行预测以及编码的方法压缩率将逐渐降低。

　　(4) H.264的一些关键算法例如采用CAVLC和CABAC两种基于上下文的熵编码方法、deblock滤波等都要求串行编码，并行度比较低。针对GPU/DSP/FPGA/ASIC等并行化程度非常高的CPU，H.264的这种串行化处理越来越成为制约运算性能的瓶颈。

 　　H.265的技术优势

　　作为新一代视频编码标准，H.265对于H.264在很多方面有了革命性的变化。H.265的技术亮点有：

　　1. 灵活的编码结构

　　在H.265中，将宏块的大小从H.264的16x16扩展到了64x64，以便于高分辨率视频的压缩。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(Coding Unit)、预测单元(Predict Unit)和变换单元(Transform Unit)。其中编码单元类似于H.264/AVC中的宏块的概念，用于编码的过程，预测单元是进

　　行预测的基本单元，变换单元是进行变换和量化的基本单元。这三个单元的分离，使得变换、预测和编码各个处理环节更加灵活，也有利于各环节的划分更加符合视频图像的纹理特征，有利于各个单元更优化的完成各自的功能。

　　2. 灵活的块结构----RQT(Residual Quad-tree Transform)

　　RQT是一种自适应的变换技术，这种思想是对H.264/AVC中ABT(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适应的调整;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适应的调整。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图像细节，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、细节保留程度以及图像的振铃效应三者最优的折中。

　　3、采样点自适应偏移(Sample Adaptive Offset)

　　SAO在编解码环路内，位于Deblock之后，通过对重建图像的分类，对每一类图像像素值加减一个偏移，达到减少失真的目的，从而提高压缩率，减少码流。采用SAO后，平均可以减少2%~6%的码流,而编码器和解码器的性能消耗仅仅增加了约2%。

　　4、自适应环路滤波(Adaptive Loop Filter)

　　ALF在编解码环路内，位于Deblock和SAO之后，用于恢复重建图像以达到重建图像与原始图像之间的均方差(MSE)最小。ALF的系数是在帧级计算和传输的，可以整帧应用ALF，也可以对于基于块或基于量化树(quadtree)的部分区域进行ALF，如果是基于部分区域的ALF，还必须传递指示区域信息的附加信息。

 　　5、并行化设计

　　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实现，HEVC/H265 引入了很多并行运算的优化思路， 主要包括以下几个方面：

　　(1) Tile

　　用垂直和水平的边界将图像划分为一些行和列，划分出的矩形区域为

　　一个Tile，每一个Tile包含整数个LCU(Largest Coding Unit)， Tile之间可以互相独立，以此实现并行处理。

　　(2) Entropy slice

　　Entropy Slice允许在一个slice内部再切分成多个Entropy Slices，每个Entropy Slice可以独立的编码和解码，从而提高了编解码器的并行处理能力。

　　(3) WPP(Wavefront Parallel Processing)

　　上一行的第二个LCU处理完毕，即对当前行的第一个LCU的熵编码(CABAC)概率状态参数进行初始化。因此，只需要上一行的第二个LCU编解码完毕，即可以开始当前行的编解码，以此提高编解码器的并行处理能力。

　　6、H.264中已有特性的改进

　　相对于H.264，H.265 标准的算法复杂性有了大幅提升，以此获得较好的压缩性能。H.265 在很多特性上都做了较大的改进，如下图所示

　　H.265对安防影响

　　谈到H.265，那么不得不提的一个公司就是海思半导体。因为不管H.265效率有多高，编码能力有多么强大，毕竟到现在都没有一个SOC芯片能内部集成H.265压缩，直到海思宣布将基于H.265/HEVC标准推出业界第一颗高清网络摄像机处理器Hi3516A。该处理器采用海思先进的H.265/HEVC算法，改善了H.265/HEVC标准固有的图像振铃效应，极大减少了大运动场景下的拖尾现象和块效应，并在保持与H.264/AVC相同的图像画质下编码码流降低50%。同时，Hi3516A灵活的高性能ARM Cortex-A7处理器配合海思第二代智能分析协处理单元IVE2.0，提供车牌识别、周界防范、人脸识别等多达40种智能分析应用。并且可支持最大从3MP到5MP的高像素视频图像输入，是一颗彻彻底底的高大上的SOC芯片。相信随着这颗芯片的上市，将催生一大批的H.265设备生产厂家，而且海思聚集了一批国内顶尖的“铁杆粉丝”包括天地伟业、海康威视、宇视等几家作为基线客户将在展会同步展出H.265的样机，届时大家将实实在在感受到新技术带来的新格局。而且随着海思后端NVR芯片HI3536的推出，那么H.265的整个生态链条将全部打通，从前端采集到后端得存储全部都将实现一个新的跨越。与H.264/AVC相比，H.265/HEVC的最大本领是可以在维持画质基本不变的前提下，让数据传输带宽缩减至H.264/AVC的一半。同时其还支持最高为7680×4320的分辨率，因此不管是以后的4K或者是更高级别的超高清视频，我们同样可以通过H.265/HEVC格式进行编码，这样低码流会带来更低的存储空间占用又保证高质量的图像画质。可以遇见在不久的将来，基于H.265编码的IPC和NVR将在安防市场大行其道，成为市场的主角。

　　综述