當(dāng)超高清遇見H.265，魚與熊掌可以兼得

前言

前端攝像機分辨率從最初的CIF，一直發(fā)展到現(xiàn)在的4K，存儲和帶寬成本也在持續(xù)攀升。高清，我所欲也，低成本，亦我所欲也;二者能否兼得?在我們思考如何有效降低存儲成本的同時，將不得不面對一個兩難的抉擇，是要圖像質(zhì)量還是數(shù)據(jù)量?顯而易見，當(dāng)我們追求圖像質(zhì)量時，必須增加數(shù)據(jù)量。當(dāng)我們想降低數(shù)量時，必須犧牲圖像質(zhì)量。那么，如何打破這個僵局?唯一有效的途徑，就是提升編碼效率。

H.265，超高清的好伴侶

視頻編碼技術(shù)在視頻監(jiān)控技術(shù)體系中的地位不亞于材料科學(xué)在航空技術(shù)體系中的地位，它是一門基礎(chǔ)學(xué)科。這意味著兩件事，第一，它的進(jìn)展非常緩慢;第二，如果取得進(jìn)展，那么將會帶來革命性的變化。

2003年，?？低暿状螌.264引入視頻監(jiān)控應(yīng)用，至今已經(jīng)超過十年。H.264的編碼效率潛力已經(jīng)挖掘殆盡。今天我們必須用新的思路或新的技術(shù)來突破這個天花板。而國際標(biāo)準(zhǔn)的H.265方案是一種整體升級的方案，必須更換前后端硬件產(chǎn)品才能實現(xiàn)。H.265相對于前面幾代編碼算法來說，在編碼效率上有著質(zhì)的提升，同樣圖像質(zhì)量下，H.265的碼率只有H.264的一半，是H.264當(dāng)之無愧的“繼承者”。因此，H.265一定是未來超高清時代的主流編碼算法，是一種“一步到位”的解決方案。

而基于國際標(biāo)準(zhǔn)的H.265算法，各個廠家可以運用一些自主專利算法，進(jìn)一步降低碼率。比如?？低曌灾餮邪l(fā)的編解碼應(yīng)用技術(shù)Smart 265就是一項比H.265效率更高的編碼技術(shù)，相比較H.265，在運動目標(biāo)不多的場景，例如像室內(nèi)茶水間、樓梯間等場景下，Smart 265可以降低70%左右的碼率;在運動目標(biāo)部分時間較多，比如不太繁忙的道路上，碼率可以降低50%倍以上;而如果場景中不斷有目標(biāo)大幅運動，像火車站等場景下，也會比原有的H.265效果要好。

圖2 不同場景下1080P攝像機碼率對比(H.265 VS Smart 265)

圖3 同一場景下不同編碼方式1080p攝像機錄像文件大小實測比較

如果把Smart 265技術(shù)運用在最新的H.265 4K超高清設(shè)備上，超高清的碼率將得到大幅度的降低，超高清的帶寬和存儲成本也會更低。

H.265，下一代主流編碼

那么，從技術(shù)原理上來看，H.265相比較H.264到底有哪些技術(shù)上的優(yōu)勢，使其成為超高清時代的主流編碼方式呢?

H.264中每個宏塊(marcoblock，MB)大小都是固定的16x16像素。然而，在更高分辨率下，單個宏塊所表示的圖像內(nèi)容信息大大減少，H.264所采用的宏塊經(jīng)過整數(shù)變換后，低頻系數(shù)相似程度也大大提高，出現(xiàn)大量冗余，導(dǎo)致H.264編碼對高清視頻的壓縮效率明顯降低;其次，H.264算法宏塊個數(shù)的爆發(fā)式增長，會導(dǎo)致每個編碼宏塊的預(yù)測模式、運動矢量、參考幀索引和量化級等宏塊級參數(shù)信息占用更多碼流資源，在有限帶寬中，分配給真正描述圖像內(nèi)容的殘差系數(shù)信息的可用帶寬明顯減少了;再有，由于分辨率的提高，表示同一個運動的運動矢量幅值也將大大增加，H.264編碼方式的特點是數(shù)值越大使用的比特數(shù)越多，因此，隨著運動矢量幅值的大幅增加，H.264中用來對運動矢量進(jìn)行預(yù)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(qū)域(顏色變化不明顯，比如天空的灰色部分)劃分的宏塊較大，編碼后的碼字較少，而細(xì)節(jié)多的地方(細(xì)節(jié)變化較多，比如大樓部分)劃分的宏塊就相應(yīng)的小和多一些，編碼后的碼字較多，這樣就相當(dāng)于對圖像進(jìn)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(yīng)提高了。這個過程有點像“感興趣區(qū)域編碼”，針對重要的更多關(guān)鍵細(xì)節(jié)的部分進(jìn)行增強劃塊，無更多關(guān)鍵細(xì)節(jié)的部分進(jìn)行簡單劃塊，但是這個過程在H.265上可以自適應(yīng)識別實現(xiàn)。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，H.265和H.264主要的技術(shù)區(qū)別如下：

可以看到，H.265相比H.264最主要的改變是采用了塊的四叉樹劃分結(jié)構(gòu)，采用了從64x64~8x8像素的自適應(yīng)塊劃分，并基于這種塊劃分結(jié)構(gòu)采用一系列自適應(yīng)的預(yù)測和變換等編碼技術(shù)。除此之外，還引入了全新的SAO(Sample Adaptive Offset)技術(shù)，SAO是一種參考幀補償技術(shù)，從而提高幀間預(yù)測的準(zhǔn)確度。同時，在并行實現(xiàn)方面，H.265也采用了WPP (Wavefront Parallel Processing)和Tile技術(shù)，能夠充分發(fā)揮當(dāng)前主流處理器的多核并行能力。這些新技術(shù)的應(yīng)用，不但有效地提高壓縮性能，也為各種處理器平臺的有效實現(xiàn)擴展了空間。

H.265，配套產(chǎn)品需齊全

從表面上看，H.265確實解決了超高清產(chǎn)品的存儲和帶寬的成本問題，但要想真正將這套系統(tǒng)應(yīng)用起來，各廠家就必須要給用戶提供一站式的超高清&H.265產(chǎn)品解決方案。即從最前端的支持H.265編碼的超高清攝像機，到可以存儲H.265編碼的NVR/CVR，能夠解碼H.265的解碼器/視頻綜合平臺，以及能夠接入H.265視頻流的中心平臺軟件。只有這樣，超高清和H.265才能真正結(jié)合，真正得到項目的實際應(yīng)用。

結(jié)語

高清，我所欲也，低成本，亦我所欲也，當(dāng)超高清遇見H.265，魚與熊掌可以兼得。因此，我們有理由相信，H.265必然會成為超高清時代的主流編碼方式。