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2014年5月26日 星期一
‧ 安控產業新聞5\26\14 ─ Your energy resources for surveillance business
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‧ H.265技術特徵及應用趨勢淺析
來源:海康威視 作者:俞海
在2010年，ITU-T VCEG和ISO/IEC
MPEG共同立項了聯合專案HEVC(High Efficiency Video Coding)，開始研究和制定下一代視訊壓縮標準，將主要目標定義為在1080P解析度上，相比當前主流的視訊壓縮演算法提高一倍左右的壓縮比，並提供更高解析度的有效支援。
這一標準，也被視為目前安防行業普遍應用的H.264/AVC演算法的繼任者H.265。2013年初，HEVC通過標準組織第一階段審批，正式名稱為ITU-T H.265。據悉，H.265的整個標準化程式將在2014年左右完成，本文就H.265的性能、關鍵技術、複雜度、應用趨勢和產業影響等方面進行簡單的分析。
一.性能指標
H.265作為新一代的視訊壓縮技術，其核心的優勢在於相比之前的歷代標準，可以在同樣的圖像品質下，大幅降低壓縮碼率。
從客觀效果提升上看，根據測試H.265在1080P解析度下相比H.264碼率降低一半左右，並且解析度越高優勢越顯著。下圖是以標準測試序列Kristen and Sara(720P60)和Kimono1(1080P24)所得的結果。可以看出，720P下的碼流降低幅度約30%~40%，1080P下約40%~50%。總體而言，H.265相對於H.264/AVC客觀性能的提升幅度已達成目標。
圖1.H.265與各壓縮標準的客觀性能比較
需要指出的是，H.265的壓縮性能提升主要體現在高清圖像上，對於標清及更小解析度的圖像幅度有限。對於高清圖像，如果其紋理複雜銳利，也較有可能無法達到上述性能。
在主觀圖像測試方面也獲得了類似的結果，1080P下H.265在節省了約50%碼流的同時，所得的圖像品質與H.264相當。
表1.H.265與H.264的主觀效果比較
二.技術特徵
H.265與H.264所採用的基礎框架類似，在各個主要的技術點上都進行改進，尤其是引入了圖像塊自我調整四叉樹劃分，並採用一系列變尺度的圖像紋理特徵自我調整編碼技術，較大幅度提升了圖像平坦區域的壓縮能力。各種先進的技術共同作用，使新標準獲得了性能的顯著提升。
圖2. H.265的編碼框架
H.265相對於H.264比較大的改進是：
1)在圖像分塊以及運動補償、變換塊方面，支持更大尺寸和更多種類;
2)更靈活豐富的幀內/幀間預測、運動向量預測和變換模式;
3)增加環內採樣自我調整濾波SAO;
4)提供TILE模式等技術，更好地支援並行處理。
這些新技術的運用，不但有效地提高壓縮性能，也為充分地考慮了設計上的可並行性，為各種處理器平台的有效實現擴展了空間。
三.複雜度估計
關於運算複雜度方面，可以從編碼和解碼、軟體實現和硬體實現兩個維度與H.264/AVC進行比較分析。軟體編碼：根據初步測試，如果希望接近或達到官方展示的壓縮效果，軟體實現的H.265編碼器與H.264的優秀編碼器如x264相比，運算複雜度可能有數量級上的增加。
1) 其原因主要在於，H.265的性能提升很大部分通過增加較多的編碼模式達成，而從這些模式中擇優選取，是一項非常消耗運算量的工作。不過隨著學術與產業界研究和應用的深入，針對H.265更為高效的新演算法不斷提出，運算的複雜度將逐漸可控。
2) 硬體編碼：由於H.265定義的最大圖像分塊為64x64像素，為了保存較大區域的原始圖像，意味著需要更多的片上緩衝區。面向高清應用，對應運動搜索範圍的增大也會產生相同的影響。再者，H.265在各模組，如運動補償、變換量化、採樣自我調整濾波等方面的改進，也需要更多硬體資源。
並且，更複雜模式選擇演算法所要求的計算代價仍然存在，只不過與軟體相比，以晶片邏輯面積的增長替代了處理器時鐘的消耗。總的來說，對於一般性能要求的硬體編碼而言，實現複雜度增加比軟體編碼要低一些，是H.264的三五倍左右。
3) 軟體解碼：由於沒有模式選擇的巨大消耗，H.265在軟體解碼方面的複雜度較為理想，可能是H.264的兩倍不到。目前外不少廠商都在x86、ARM等平臺上發佈了可商用的H.265解碼軟體，推動了標準的普及應用。
4) 硬體解碼：從H.265已公佈的Main Profile定義看，相對於H.264在硬體解碼方面的複雜度也有一定程度的增加，尤其是如果需要相容整個Profile的全部定義，其增加的幅度可能與中等設計要求的硬體編碼接近。
四.應用趨勢
對於影像監控應用來說，儲存時長和容量成本一直是方案設計時，需要反復權衡的關鍵矛盾之一。當大規模聯網模式和集中儲存方案開始推廣後，網路頻寬的瓶頸也逐步浮現。尤其是高清應用的普及，更凸顯了這些問題，提高壓縮性能的需求日益迫切。
面對這種情況，安防行業技術較為領先的廠家，如海康威視，一方面在已有的H.264編碼產品上進行深入改進，採用H.264的高級演算法如CABAC、8x8
Transform、Scaling Matrix等繼續提高壓縮比，並且結合SVC、ROI等應用技術進一步改善效果;另一方面，隨著IT技術發展趨勢，安防企業也將眼光放在了H.265上，是否可以進一步緩解高清與高碼流的矛盾，乃至掀起一輪技術革新的浪潮?
如上述分析，H.265演算法的編碼複雜度較高。如果使用DSP、x86等通用處理器進行軟體編碼並希望獲得明顯超過H.264的性能，需要選擇較為高端的產品平臺，其成本與功耗對於嵌入式監控產品如IP
Camera來說還算不上有競爭力的方案。同時也可以預期，在整個安防行業的共同推進下，尤其是在IC領域進一步深入研發後，隨著集成H.265編碼功能的硬核SoC推出，H.265有可能憑藉壓縮能力上的明顯優勢，逐漸取代H.264，並成為未來的主流。
從解碼角度看情況比較樂觀，H.265的軟解複雜度相對於H.264，增加得並不多，以至於不但PC，現階段的中檔多核智慧手機也可以較流暢地處理。目前，網上已經可以找到一些支持解碼，和播放H.265影像的軟體。不但如此，H.265硬體解碼也較有可能成為未來處理器的標準配置，據悉高通、博通、MTK等都有計劃在不遠的將來推出相關SoC。
在聯網系統方面，H.265面對的問題要複雜一些。目前安防系統已建或在建網路所依據的標準，不論是在中國平安城市中大力推行的GB/T 28181，還是各類地標、企標，均未就擴展H.265的可能性進行論證。論證之後，對於標準的修訂一般都需要不少時間，即便修訂標準擴展支援，新產品接入和相容，也需要各廠家調試磨合。
可以預期，在已建成並投入運營的系統上，產品換代將會以非常穩健的步驟推進。保守估計，H.265設備在安防行業聯網系統上獲得成規模的應用，也許需要數年的週期。
從目前來看，H.265標準的發展與推廣，可能在專利方面存在一定阻礙。據悉，持有H.265重要專利的企業，例如三星、高通以及聯發科等，目前尚沒有表態願意將其專利加入到MPEG
LA的專利池中，而是保留各自收取專利費的可能性。如果H.265實行分別收費，這些握有各自核心專利的寡頭們，仍然能夠通過相互交換授權來瓜分大餅，但其他廠家尤其是與上述企業存在競爭業務者，很可能對標準態度審慎，最終影響其普及。安防領域企業的面臨的情況也將類似。
五.產業影響
如果梳理視訊壓縮標準發展的脈絡，可以發現一個現象：較早的H.262/MPEG2標準，由ITU-T VCEG和ISO/IEC MPEG共同制定，在ITU-T主導的電信和MPEG主導的廣電領域都獲得了統治地位;接下來H.263和MPEG4-P2由兩個組織分別制定，結果影響力相對削弱，只是各自在其專業領域佔據局部市佔比;到了H.264/AVC時代，VCEG和MPEG再度聯手，又打造了影響力巨大的一代標準，並且成功地整合了電信、廣電、互聯網應用，安防監控也包括其中。
再具體地看H.264，雖然標準設計時針對行動、標清電視、高清等不同場景定義了Baseline、Main、Ext和High Profile等多個檔次，但具體每個檔次獨有的技術，例如Baseline
Profile面向移動的ASO、FMO、RS等特殊工具在實際中卻甚少採用，大量的實現還是以基本工具為核心搭建的。
上述的現象也許意味著，資訊交互正在廣泛應用於各行各業中，影像作為資料量最大的非結構化資訊之一，其壓縮標準越來越成為通用的基礎定義，行業應用特徵逐漸弱化。另一方面，弱化行業應用特徵後，視訊壓縮標準也能夠更精簡並專注於其核心價值上，直面提升壓縮能力、增強可並行度的挑戰。
而各行業應用的特定需求，例如行動應用的容錯問題，廣電應用的版權保護，安防應用的資料防偽、保密等，最好歸到資料封裝與傳輸環節解決，系統層次結構更清晰，應用擴展更靈活。
可能正是基於這種考慮，H.265標準到目前為止只發佈了Main Profile一個檔次，不再針對移動、高清等應用引入明顯差異化的技術。後續可能會就更高位寬，或不同色域採樣格式的輸入資料進行細分，是否會面向行業應用分化並引入專用技術值得我們共同觀察。
在安防市場方面，用戶的形態也在發生擴充。隨著技術的發展和大眾安全意識的提高，民用市場的安防需求日益增長，基於互聯網的通用型設計開始出現，並帶來安防設備從專業應用分化出消費類產品。在這一轉變的過程中，安防網絡可能會與通信網、廣電網、互聯網全面融合，原本的監控設備可能兼具影像通訊、影音娛樂、家庭資料中心等多種功能，難以將其明確歸類到某種具體用途上。
如果發生這樣的情況，弱化了行業應用特徵的H.265，可能更加富有競爭力。由H.265作為影像資訊的基礎標準，也將反過來促進各類私人網路絡的融合，推動專用設備突破原本的形態邊界，共同完成資訊標準化整合，並邁向物聯網、大數據時代。
具體來說，未來幾年內H.265推廣對安防產業較為可期的促進有：1)加速高清產品的普及，推動超高清產品的發展;2)改變影像監控產品的成本構成，影響安防系統解決方案，助力集中儲存型系統的推廣應用;3)伴隨4G通信標準落地和行動處理器性能的飛速提升，高清影像監控應用在行動終端設備中鋪開。對這一新標準將對安防行業產生的影響，大家可以在資訊時代變革的洪流中共同期待。