淺談H.264 H.265視頻編碼及其在安防系統的應用

李 克 江西省科學技術館 南昌市 330000

0 前言

伴隨著視頻技術、網絡技術和圖形芯片處理能力的不斷發展，安防行業高清化成為發展趨勢，720P、1080P已普及，安防UHD 4K高清等數字視頻資源日漸豐富，隨著超高清、極高清需求的增長及大數據應用產業鏈的快速發展，智能安防數字視頻應用逐漸向高畫質、高幀率、高壓縮比發展，智能安防領域的4K、8K、全景等視頻應用則迫切要求低帶寬、低存儲視頻編碼以滿足數字視頻應用的發展。

什么是視頻編碼？隨著視頻應用的數字化及高清視頻的出現，視頻儲存就出現了數據量成倍增長的問題。一個長約60分鐘的720×480標清視頻，整個視頻就包含了86400張圖片（24幀/秒），每張圖片平均500K，那么整部視頻的需要的存儲空間達到了43G。對于1080p的視頻或者更高的4K視頻，一分鐘的未壓縮素材可達30-40GB。視頻數據的爆發性增長嚴重制約了數字視頻應用采集和分析處理。而視頻壓縮編碼則是解決這個問題的關鍵技術。數字視頻原始素材的數據包含了數據信息和數據冗余。視頻編碼則是制定一套壓縮標準，通過編碼標準壓縮處理文件中的數據，其實質是減少數據中的冗余。通過視頻編碼將原始視頻進行處理、封裝、轉換，稱為編碼；使用者通過視頻編碼解碼、轉換、播放、傳播，稱為解碼。通過數字視頻編解碼標準減小數據體積，節省儲存空間和網絡帶寬，便于網絡傳輸和視頻應用。通過視頻編碼也就是視頻壓縮技術，數據壓縮率從MPEG-1 的26∶1，到H.264（AVC）的100∶1、H.265（HEVC）200∶1。

1 什么是H.264、H.265

1.1 H.264編碼

在討論H.265 優勢前，我們先來了解一下什么是H.264，H.264是國際電信聯盟2007年發布的高度壓縮數字視頻編解碼器標準，這個標準被命名為H.264/AVC。

（1）H.264的優點

◎低碼率，高壓縮比；

◎圖像相對于之前的MPEG4、H.263更優；

◎網絡適應性：內置互聯網協議適配層，可以被映射各種網絡環境中，具備嵌入互聯網和移動通信的能力；

◎PSNR 性能：對比H.263，PSNR 性能高3—4dB，比MPEG4高2dB。

（2）H.264的局限性

◎分辨率的增加會造成數據信息出現大量的冗余；

◎H.264 熵編碼算法CAVLC、CABAC 及圖像去塊效應算法為串行編碼處理，制約了并行運算；

◎高分辨率支持不足。

1.2 H.265編碼

針對H.264的不足，2013年2月，由國際電信聯盟和ISO國際標準化組織組成的視頻編碼組發布了HEVC（High Efficiency Video Coding）視頻編碼標準，即為H.265標準，其核心是優化H.264編碼方法，加入最新研究成果及新技術，提高壓縮效率。

HEVC/H.265支持4K（4096×2160）和8K（8192×4320）等超高清UHD視頻壓縮。沿襲了H.26X和MPEG系列基于塊的聯合預測熵編碼混合模型，對一些相關技術加以升級，針對H.264的缺陷進行了優化升級，以改善編碼質量、延時及碼流。

2 H.265核心技術

2.1 H.265的編碼架構與關鍵技術

（1）編碼結構靈活：支持8×8-64×64像素宏塊，增加宏塊單元可以提供更高的壓縮效率壓縮高分辨率的視頻；把H.264的基本單元優化為變換單元（Transform Unit）、預測單元（Predict Unit）和編碼單元（Coding Unit）三單元分離結構，增加了分區的靈活性，提升編碼效率。

（2）RQT（Residual Quad-tree Transform，殘差四叉樹自適應變換）：四叉樹結構的預測區域從64×64到4×4［1］。

（1）幀內預測方式：幀內預測相對于H.264的9種增加到35種，通過多種幀內預測去除空間冗余。

（2）幀間預測：H.265支持前向后向參考，通過編碼圖像作為參考幀，去除時間冗余［2］。

（3）加入并行計算優化設計。引入Tile、Entropy slice、WPP（Wave front Parallel Processing）等并行計算思路，使用并行度更高的編碼算法，充分發揮GPU、FPGA、ASIC等并行化芯片架構的運行優勢。

（4）SAO（Sample Adaptive Offse，采樣適應抵消）：采用SAO技術，對重構圖像像素，去除方塊效應，減少失真，提高壓縮率。

2.2 H.265的優勢

（1）壓縮效率更高，經測試，在視頻質量相同的情況下H.265是H.264的壓縮率的2倍，如圖1所示；

圖1 主要視頻編碼壓縮率

（2）傳輸速率，傳輸一段720P高清H.264≥5Mbps；H265傳輸速度1～2Mbps；

表1 H.264和H.265主要技術參數對比表

（3）支持4K和8K超高清視頻，契合高清、超高清視頻發展的需求；

（4）H.265支持160幀/秒以上的高幀率應用；

（5）H.265具有網絡適配層，以適應不同網絡及視頻應用，具備較好的網絡糾錯及健壯性，可以適用于多種網絡架構；

（6）峰值信噪比（PSNR）顯著減少。經BBC R&D視頻編碼研究團隊測試驗證，H.265在壓縮效率方面的極大提升，確認了過去報道中采用客觀質量指標（基于PSNR的方法）獲得的結果。實際上，相較PSNR，采用主觀的MOS（Mean Opinion Scores）量度，H.265 相較H.264在壓縮方面顯得優勢更為巨大。如圖2所示。

圖2 主流編碼峰值信噪比（PSNR）

3 H.265給安防行業帶來新機遇

隨著安防視頻應用的快速發展和智能安防的市場滲透率的不斷增加，安防行業逐漸向數字化、智能化轉型，H.265在安防系統日漸普及，國內?？低?、大華、宇視等安防生產商已經陸續推出了基于H.265編碼算法的壓縮芯片，從市場表現來看，H.265技術給安防行業帶來了很多新的機遇。

3.1 H.265編碼可快速融入安防互聯網+

隨著云計算的發展不斷助推安防智能化的應用，這些應用都需要強大的存儲和計算能力。與此同時，分布式云計算基于網絡互聯互通的特點從而實現信息的跨地域共享?；贖.265的編解碼芯片強大算力可以擴展出更多的智能分析應用。在H.265標準推動下，攝像機可兼顧多業務的應用需求，完成諸如視頻監控、車牌識別、周界防范、人臉識別、人群聚集、音視頻異常診斷等智能分析應用，同時減少布點，豐富視頻數據應用，從而更好地融入分布式云計算節點，加速“互聯網+安防”模式的進程。

3.2 H.265編碼促進安防多行業的融合

隨著移動5G技術的普及和商用，安防領域中流媒體業務將成為一個重要的視頻應用，通過H.265的高壓縮，低帶寬的特點，運營商可以在保證質量的前提下更加經濟高效地向用戶提供移動視頻和多媒體體驗。H.265的低碼率、高壓縮將進一步促使高清、超高清視頻的傳輸及應用，推動各專業突破邊界，共同完成信息標準化整合，邁向物聯網、大數據時代。

3.3 H.265編碼使成本節約、擴容性更強

從表2可以看出，與H.264編碼技術相比，H.265的高壓縮率、低碼流特性有效地降低高清視頻聯網的網絡存儲、帶寬建設成本。系統進行高清擴容，可以增加更多的前端接入，為場景的智能化分析提供了更好的保障。

表2 H.264和H.265不同分辨率的存儲對比

4 結束語

相信基于H.265的高壓縮比、低碼流、高幀率等性能，其先進的技術優勢，一定會給安防行業帶來更多新的機遇。

隨著全球互聯網視頻需求的增長，2020年新一代視頻編碼標準H.266/VCC正式發布。H.266/VCC編解碼器將在H.265基礎上再減少50%的數據。如果H.266得到普及，超高清視頻行業將迎來巨大革命。但是對于H.266編碼來說，復雜的專利授權、高昂的授權費用嚴重影響了推廣速度，與此同時，H.266編碼還面臨著更多的競爭對手，比如H.264、H.265牢不可破的地位，以及谷歌開源免費的VP9、AV1也很有競爭力。哪種視頻編碼能在視頻時代應用廣泛，還是要看各編碼模塊在性能、專利費、應用、產業支持及市場來決定。