H.265鋒芒初露,未來已來

2015年07月17日

【CPS中安網 cps.com.cn】在安防監控行業的快速發展中,面對視頻應用逐步向高分辨率、高幀率、高壓縮率方向發展的趨勢,當前普遍采用的H.264 視頻壓縮標準的局限性日益顯現出來。H.265標準圍繞著現有的視頻編碼標準H.264,保留了原來的某些技術,同時對部分技術加以優化改良。新標準使用先進的技術用以改進碼流、編碼質量、延時和算法復雜度之間的關系,進而達到性能最佳化。目前安防行業中H.264算法的應用已十分普及,從H.264發展而來的H.265在系統兼容、升級、推廣方面存在極大優勢。相信不久的將來,H.265勢必取代H.264,成為安防行業視頻壓縮的主流技術。

  一、安防對下一代視頻編碼技術的要求

  1、安防領域高清化必然的趨勢

  安防領域高清化已經成為必然的趨勢,720P、1080P視頻已廣泛普及,監控領域甚至已經開始出現4K高清視頻,由此帶來的視頻內容增長速度遠遠快于網絡增長速度,因此帶寬相對不足的問題將長期存在。同時,隨著視頻內容的增長,存儲成本會大大增加,因此安防監控領域對下一代編碼算法的要求是在現有基礎上進一步提高壓縮比。

  相對于標清視頻,高清視頻的信息量大為豐富,相應的對解碼顯示性能要求也大大提高。例如,目前主流的PC機可以輕松實現8路D1標清視頻的解碼顯示,但若前端是1080P高清視頻,只能勉強解碼顯示1路。對于大型視頻監控平臺,若全部使用高清視頻,服務器解碼壓力會很大。因此,下一代視頻壓縮算法在解碼能力上也需要做出優化。

  2、流媒體業務的應用

  隨著3G/4G無線通信技術在全球范圍內的普及和商用,流媒體業務將作為一個重要方向在安防領域中推廣。未來的視頻監控業務和應用將呈現多樣化,更可能是一種基于P2P或分布式的應用。隨著監控領域的發展,各種用戶終端都有連接監控視頻的需要,如局域網監控網絡帶寬較為理想,用戶希望瀏覽高質量的視頻;而手機監控領域由于帶寬有限,用戶更看重的是低碼率下的視頻流暢性。如何適應這些不同的帶寬環境也是高清監控設備需要解決的問題。因此,安防領域對下一代編碼技術的要求,務必能夠支持更好的網絡適應性和差錯健壯性。

  總之,安防監控領域對下一代視頻編碼算法的要求就是:更高的壓縮比、更快的處理速度、更好的適應性和健壯性。

  二、H.265算法優勢

  1、簡單靈巧的編碼結構

  相對于H.264的4×4、8×8、16×16宏塊類型,H.265引入了32×32、64×64甚至于128×128的宏塊,目的在于減少高清數字視頻的宏塊個數,減少用于描述宏塊內容的參數信息,以便于壓縮高分辨率的視頻。同時,為了顯著提升編碼效率,利用了更加靈活方便的編碼結構,包括變換單元(Transform Unit)、預測單元(Predict Unit)和編碼單元(Coding Unit)。三個單元間的相互分離,使得變換、預測和編碼間的處理環節更加靈活簡便,同時也能夠使各個單元更好地做好各自的任務。

  2、簡單靈巧的塊結構RQT

  RQT作為一種可自適應的變換技術,這種理念推廣與延伸了H.264標準中ABT(Adaptive Block-size Transform)技術的發展。對于幀間編碼來說,它可以按照運動補償塊的大小對相關變換塊的大小進行自適應的調整;而對于幀內編碼來說,它能夠依據幀內預測殘差的特性對相關變換塊的大小進行自適應的調整。較大的塊變換相對于較小的塊變換,一是可以更好地集中能量,并且在量化之后可以留有更多的圖像細節,H.265依據當前塊信號的特性,變換塊的大小可以進行自適應的選擇。

  3、新的MV(運動矢量)預測方式

  區別于H.264基于空間域的運動矢量預測方式, H.265擴充更加多的方向進行幀內預測,同時將預測塊的集合由原來的空間域擴展到時間域及空時混合域,通過率失真準則計算后選擇最佳的預測塊。使用這一方法,在基本模式下測試,在與H.264相同質量的情況下,得到平均為6.1%的壓縮增益,復雜圖像的壓縮增益甚至能提高到20%。

  4、更多的考慮并行化設計

  當前芯片架構已經從單核性能逐漸往多核并行方向發展,H.265引入了Entropy slice、WPP (Wavefront Parallel Processing)等并行運算思路,使用并行度更高的編碼算法,更有利于H.265在GPU/DSP/FPGA/ASIC等并行化程度非常高的CPU中快速高效的實現產業化。

  此外,H.265中還有諸如多描述編碼、采樣點自適應偏移、1/8像素插值編碼、自適應環路濾波等等諸多技術亮點,使得H.265在壓縮效率、并行處理能力和網絡適應性方面比H.264有極大的進步。

  三、H.265在安防領域的應用前景

  1、未來視頻應用領域的主流地位

  目前,國外的一些主要編解碼設備廠商一直在積極參與H.265標準的研究當中。高通公司就是H. 265標準的推動者之一,在巴塞羅那的MWC大會上,高通展示了下一代視頻編碼標準H.264 繼任者H.265的效果。高通演示的H.265視頻對比對象為同一片源的H.264,在PSNR這一目前最廣泛使用的客觀評價標準類似的情況下(H.265為39.72,H.264 為39.65,分辨率同為800*480),H.265視頻的碼率為610kbps,文件大小3.10MB;而H. 264 視頻的碼率達到了1183 kbps,文件大小也有6.01MB。從高通工作人員介紹中可知,H.265標準可比H.264 標準節省40% ~45% 的碼率。近期,日本廣播公司NHK、三菱電機又宣布已經成功開發了全球第一款面向8K 超高清視頻的H.265格式的實時硬件編碼器,所記錄視頻的清晰度可達1080p的十六倍。

  2、國內廠商積極推動

  與此同時,國內的安防廠商也在積極地推動著H. 265視頻標準的發展。方案提供商已經陸續推出了基于H.265編碼算法的壓縮芯片,幾大安防廠商也已及時跟進,基于H.265方案的編解碼設備已在研發過程中,預計今年下半年開始會陸續投放市場。以天津天地偉業數碼科技有限公司即將推出的Smart IPC為列,全面支持H.265算法,根據實測,H.265標準600k碼率超過H264標準1M的效果,2M的H.265接近H.264標準5M碼率的效果,也就是說,在相同的帶寬條件,H.265將比現有的視頻播放效果清晰度提高約一倍,無疑將會給高清監控市場帶來一股新的浪潮。

來源:煙臺三和網絡系統有限公司
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