‧ H.265 開創影像壓縮新階段

來源:CPS中安網

“H.265”又一次成了安防界的熱點話題。H.265標準自2013年被確認，到現在各大企業發佈H.265產品，其發展趨勢異常火熱。究其原因，在於“高清”給現有影像壓縮標準，帶來了越來越大的碼流挑戰，雖然很多安防廠家都祭出殺招，但4K高清的來襲洶洶，即使現有標準再怎麼改頭換面，也顯得愈發無能為力，此時，H.265編解碼的發展變得越發重要，相信在不遠的將來，支持H.265的產品將會大面積地推出，引領安防高清監控。

一、“最強”影像壓縮標準

H.265標準全稱為高效影像編碼(High Efficiency Video Coding)，也即HEVC，相較於之前的H.264標準有了相當大的改善。

H.265又何以讓如此多的行業都青睞有加?故事開始還是需要從H.264說起，H.264也稱作MPEG-4 AVC(Advanced Video Codec，高級影像編碼)，因其可以得到比其他編碼標準更高的影像品質和更低的碼率，而得到了人們的認可，被廣泛應用於網路流媒體資料、各種高清晰度電視廣播，以及衛星電視廣播等領域。

從編碼框架上來說，H.265仍然沿用了H.264的混合編碼框架，主要包含：幀內預測(intra prediction)、幀間預測(inter prediction)、轉換 (transform)、量化 (quantization)、去區塊濾波器(deblocking filter)、熵編碼(entropy coding)等模組。

如今更高清發展愈演強烈，H.264也遇到了瓶頸。以編碼單位來說，H.264中每個宏塊(marcoblock，MB)大小都是固定的16x16像素。然而，在更高解析度下，單個巨集塊所表示的圖像內容資訊大大減少，H.264所採用的巨集塊經過整數變換後，低頻係數相似程度也大大提高，出現大量冗餘，導致H.264編碼對高清視頻的壓縮效率明顯降低。

其次，H.264演算法巨集塊個數的爆發式增長，會導致每個編碼巨集塊的預測模式、運動向量、參考幀索引和量化級等，巨集塊級參數資訊佔用更多碼流資源，在有限頻寬中，分配給真正描述圖像內容的殘差係數資訊的可用頻寬明顯減少了。

再有，由於解析度的提高，表示同一個運動的運動向量幅值也將大大增加，H.264編碼方式的特點是數值越大，使用的比特數越多，因此，隨著運動向量幅值的大幅增加，H.264中用來對運動向量進行預測，以及編碼的壓縮率也將逐漸降低。

相比H.264，H.265提供了更多不同的工具來降低碼率。H.265的編碼單位可以選擇從最小的8x8，到最大的64x64。信息量不多的區域(顏色變化不明顯，比如天空的灰色部分)劃分的巨集塊較大，編碼後的碼字較少，而細節多的地方(細節變化較多，比如大樓部分)劃分的巨集塊，就相應的小和多一些，編碼後的碼字較多，這樣就相當於對圖像進行了有重點的編碼，從而降低了整體的碼率，編碼效率就相應提高了。

這個過程有點像“感興趣區域編碼”，針對重要的更多關鍵細節的部分進行增強劃塊，無更多關鍵細節的部分進行簡單劃塊，但是這個過程在H.265上可以自我調整辨識實現。

圖1 H.264編碼分開示意圖圖2 H.265編碼分開示意圖

總結發現，H.265和H.264主要的技術區別如下：

　　分類H.264H.265

　　編碼分塊大小範圍4x4 ~ 16x168x8 ~ 64x64

　　Intra幀內預測模式最多9種預測模式最多36種預測模式

　　Inter幀間插值模式1/2像素6TAP, 1/4像素2TAP分像素8TAP

　　MVP預測方式空域預測空域和時域預測

　　變換4x4 ~ 8x84x4 ~ 32x32

　　新技術 SAO功能

　　並行化設計 Tile, WPP等

可以看到，H.265相比H.264最主要的改變，是採用了塊的四叉樹劃分結構，採用了從64x64~8x8像素的自我調整塊劃分，並基於這種塊劃分結構，採用一系列自我調整的預測，和變換等編碼技術。

除此之外，還引入了全新的SAO(Sample Adaptive Offset)技術，SAO是一種參考幀補償技術，從而提高幀間預測的準確度。同時，在並行實現方面，H.265也採用了WPP (Wavefront Parallel Processing)和Tile技術，能夠充分發揮當前主流處理器的多核並行能力。這些新技術的應用，不但有效地提高壓縮性能，也為各種處理器平台的有效實現擴展了空間。

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反復的比較測試已經表明，在相同的圖像品質下，相比於H.264，通過H.265編碼的影像碼流大小比H.264減少大約39-44%。由於品質控制的測定方法不同，這個資料也會有相應的變化。以目前主流的解析度為例，H.265在1080p解析度下，相比H.264碼率降低40%~50%，在720p下相比降低30%~40%，這也就意味著，1080p全即時只需要1.5~2M左右的碼率。

如圖3所示，圖中橫坐標表示碼率，縱坐標表示PSNR(峰值信噪比)，圖像客觀品質指標，各條曲線為各種常見的視訊壓縮標準。此外，隨著解析度的提升，H.265碼率降低也會更多。如圖4中，針對4K高清在行人、交通等場景下的測試也表明，H.265在4超高清解析度下，也可獲得相比H.264降低50%~60%的碼率。

　　圖3 1080P各個編碼器編碼性能比較

　　圖4 4K解析度H.265與H.264編碼器編碼性能比較

由此看來，無論在功能還是性能上，H.265都幾乎對H.264有著全面性的進步，是針對當前影像壓縮標準的全面超越，這也使得H.265無可爭議的成為了當下“最強” 影像壓縮技術。

二、H.265中國正朝向本土化的安防應用發展

前面提到，如今安防走在更高清的路上，H.264等標準已經不再適用於更高清的安防規則了，安防需要有相比H.264更高效的視訊壓縮標準，來進一步推動影像高清化的發展，H.265呼之欲出。作為新一代的影像壓縮標準，H.265最明顯的特點是：壓縮性能相比當前影像壓縮標準H.264提升了一倍。

當然，H.265的好處遠不止4K更高清監控這麼簡單，舉個例子，在大陸平安城市中炙手可熱的1080p全高清佈控，H.264標準下1080p需要4M以上的碼率，來保證圖像品質，若採用H.265影像壓縮標準，則1080p僅需1~2M左右碼流，而整個儲存池就可以縮減為原來的一半，或者可以佈控比原來多1倍以上的高清點位，又或者可以延長一倍以上的儲存時間。

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說到這裡，大家肯定會問，H.265能否具備本土化的產業應用，和影像資訊安全上的保證?由於安防行業的特殊性，這也是用戶最關心的兩個方面。

我們先來瞭解一下H.265應用到安防領域中，各環節廠家起到的作用，可以用文字的發展應用來類比。前期是標準的制定，主要由JCT-VT主導，這個過程有點像字典的編寫;然後晶片廠家使用H.265這本影像壓縮標準字典，以不同的行文風格(晶片演算法)，寫出一篇篇文章(壓縮碼流)，這是實現層;到了應用層，更多的掌握在影像監控廠家手裡，他們更多的作用是H.265文章的收集者，經過排版、優化做成各式書籍(產品)，對外進行產品化銷售。

由國際標準組織ISO和國際電信聯合會ITU聯合小組JCT-VT指定的H.265，集合了中美韓日等多國大學、企業、研究所等組織的頂尖技術力量，則可以視為目前定義最精確、效率最高的全球通用字典。

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從產業鏈應用層來看，H.265可以實現全本土化。在底層應用方面，市場上部分方案提供商，已經陸續推出了基於H.265編碼演算法的壓縮晶片，而華為等中國企業擁有相當一部分H.265核心專利，是該標準的主導者之一，華為海思即將推出業界第一顆基於H.265標準的高清網路攝影機處理器Hi3516A。

與此同時，不少安防廠商也在積極地推動著H.265影像標準的發展，基於H.265方案的編解碼設備陸續發佈。再來看H.265的產品應用，目前一些中國的安防廠家基本都具備了產品化的研發實力，包括以海康威視等企業為代表的廠家，都相繼推出了支持H.265的產品。所以說，不論從晶片還是到產品，H.265均可做到本土產化。

再來看安防行業最關注的資訊安全問題，這就涉及到資料的加密。說到底，資料加密其實是和影像壓縮標準不同範疇的兩種技術。影像壓縮標準的核心是用儘量少的資料量來精確定義所承載的影像資訊，提高資料壓縮性能，資料的安全性則由加密來保證。

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這一關係同樣可以用字典文字來類比。採用不同的影像壓縮演算法，好比利用不同的字典來寫文章。只要是“標準化”的字典或影像壓縮標準，對資訊的表述就必須有清晰的定義，好比中文和英文都能被人讀懂，沒有資訊安全方面的差異。寫出來的文字資訊如果希望安全，則需要在儲存或傳輸的時候進行加密，例如在傳輸通道上加密加擾，儲存資料設置密碼，控制存取權限等。

同樣的，影像監控的資訊安全與否，取決於安防系統的資料傳輸方式、許可權管理方案、密碼保護方法，與影像壓縮標準無關。在加密和標準層面上，目前大型安防廠家基本都已經具備了完善的安全加密實力。舉例來說，目前安防炙手可熱的雲端儲存技術，大家最關心的問題也是資訊安全問題，以海康威視為例，海康威視雲端儲存就提供了可靠的安全加密保障，在很多項目上均有大規模運用。在很多平安城市級的專案中，資料安全更是人們關心的問題，目前主流的監控廠家均具備加密開發實力，並且這種加密機制也做得相當完善。

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三、H.265引領安防新標準

從前面兩個維度來看，華為海思等晶片企業、海康威視等安防企業，都在投入H.265的研究，從而極大推進了H.265在安防領域的應用，使得H.265具備了極大的本土化應用優勢。同時，由於H.265標準是在H.264標準的基礎之上逐步發展起來的，可向下相容H.264，結合H.264在影像應用領域的主流地位，可以預測出H.265標準在未來具有廣大的發展前景。

可以想像，在未來的很長一段時間裡，H.265新標準必將引領安防的主流，H.265的發展又恰好順應了這一趨勢。