H.265編碼:引爆網絡視頻監控高清時代
說起H.265可能很多人并不太了解其究竟為何物？但對于高清視頻的全面普及所有人都趨之若鶩。在這個電視拼4K極清，網絡視頻拼超清，視頻監控拼高清的“視頻血拼”年代，人們都希望在不用大費周章增加帶寬的前提下獲得更高清更唯美的視頻畫質體驗。對于這樣的期待，未來H.265很可能幫大家實現。H.265作為一種最新的視頻壓縮技術能在有限的帶寬下傳輸更高質量的網絡視頻，僅需H.264的一半帶寬，即可播放相同圖質的視頻。這也意味著我們的移動設備(手機、平板電腦)將能夠直接在線播放全高清(1080P)視頻。
而H.265標準也同時支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清視頻，可以說，H.265標準讓網絡視頻跟上了顯示屏“高分辨率化”的腳步，可能在幾個月內，你就能看到支持H.265解碼的設備上市了(如智能手機、顯卡等)。H.264統治了過去的五年，而未來的五年甚至十年，H.265很可能將會成為主流。此刻，人們不禁會問H.265有哪些技術優勢，未來又會如何應用。本文就帶大家了解H.265的發展現狀以及其未來的發展趨勢。( a. c' L/ z2 I, }# ^& V
H.265究竟為何物) d- U3 U+ p( p
H.265是ITU-TVCEG繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。目前世界上的視頻編解碼標準主要來源于國際電聯ITU-T和國際標準化組織ISO，ITU的H.26×系列視頻壓縮標準經過了H.261、H.263，h.263+這樣一個演進過程。而ISO的視頻壓縮標準是MPEG系列，從MPEG1、MEPG2到MPEG4，之后兩個標準化組合走向合作，成立了JVT，推出了在當前最有效的視頻壓縮標準，H.264/AVC。從H.264標準發布到如今已經有五年時間，在這五年中H.264的應用范圍不斷擴展，成熟度不斷提高，而ITU—T在H.264取得初步成功的時候，ITU—T的視頻編碼特別小組VCEG于2005年就對視頻編碼技術提出了更長遠的設想。并規劃在技術成熟時推出新一代的視頻編碼標準H.265。2012年8月，愛立信公司推出了首款H.265編解碼器，而在僅僅六個月之后，國際電聯(ITU)就正式批準通過了HEVC/H.265標準，標準全稱為高效視頻編碼(HighEfficiencyVideoCoding)，相較于之前的H.264標準有了相當大的改善。( M f& C* Z. [0 }4 o
提出H.265標準.是為了給音視頻服務提供更好的視頻編碼方法。音視頻服務包括會話式和非會話式音視頻服務。其中會話式音視頻服務包括視頻會議和可視電話，非會話式音視頻服務包括流媒體、廣播、文檔下載、媒體存儲/播放和數字攝像機。H.265標準圍繞著現有的視頻編碼標準H.264，保留原來的某些技術，同時對一些相關的技術加以改進。新技術使用先進的技術用以改善碼流、編碼質量、延遲和算法復雜度之間的關系，達到最優化設置。具體的研究內容包括：提高壓縮效率、提高魯棒性和錯誤恢復能力、減少實時的遲延、減少信道獲取時間和隨機接入遲延、降低復雜度等。H.264由于算法優化，可以低于1Mbps的速度實現標清數字圖像傳送；H.265則可以實現利用1~2Mbps的傳輸速度傳送720P(分辨率1280×720)普通高清音視頻傳送。/ D" x, g! h. z: d _
事實上，H.265視頻壓縮技術早在H.264發布后不久，即進行了關鍵技術領域(KeyTechnicalAreas)技術研究和評估，并于2010年由VCEG和MPEG形成聯合項目HEVC(HighEfficiencyVideoCoding)，將主要目標定義為在1080P分辨率上，相比H.264/AVC提高一倍左右的壓縮比，并提供更高分辨率的有效支持。目前，三星、高通、博通以及華為等IT巨頭都公開展示了相關技術，可見其頗受重視，未來極有可能取代H.264成為全球主流的視頻壓縮標準。
H.265的高明之處; W+ P1 R8 o2 a! S! V" b$ y% U# ?
從編碼框架上來說，H.265仍然沿用了H.264的混合編碼框架，但是每個技術細節都有提升或改進。比較大的改進是：1)在圖像分塊以及運動補償、變換方面，支持更大尺寸和種類；2)更多幀內/幀間預測、運動矢量預測和變換模式；3)增加環內采樣自適應濾波SAO；4)提供TILE模式，更好地支持并行處理等。這些新技術的應用，不但有效地提高壓縮性能，也為各種處理器平臺的有效實現擴展了空間。
H.265與H.264有何不同 h, `. V* y" l+ \: ^. C! Z* t" S
在討論H.265有哪些提升和優點之前，我們不妨先來了解一下H.264。H.264也稱作MPEG-4AVC(AdvancedVideoCodec，高級視頻編碼)，是一種視頻壓縮標準，同時也是一種被廣泛使用的高精度視頻的錄制、壓縮和發布格式。H.264因其是藍光光盤的一種編解碼標準而著名，所有藍光播放器都必須能解碼H.264。更重要的是，因為蘋果公司當初毅然決然拋棄了Adobe的VP6編碼，選擇了H.264，這個標準也就隨著數億臺iPad和iPhone走入了千*萬戶，成為了目前視頻編碼領域的絕對霸主，占有超過80%的份額。H.264也被廣泛用于網絡流媒體數據、各種高清晰度電視廣播以及衛星電視廣播等領域。H.264相較于以前的編碼標準有著一些新特性，如多參考幀的運動補償、變塊尺寸運動補償、幀內預測編碼等，通過利用這些新特性，H.264比其他編碼標準有著更高的視頻質量和更低的碼率，也因此受到了人們的認可，而被廣泛應用。9 z5 t" I0 ?. _
H.265/HEVC的編碼架構大致上和H.264/AVC的架構相似，也主要包含：幀內預測(intraprediction)、幀間預測(interprediction)、轉換(transform)、量化(quantization)、去區塊濾波器(deblockingfilter)、熵編碼(entropycoding)等模塊。但在HEVC編碼架構中，整體被分為了三個基本單位，分別是：編碼單位(codingunit，CU)、預測單位(predictunit，PU)和轉換單位(transformunit，TU)。
H.265為何優于H.264( g# M$ Q6 ?+ D4 g# E H/ F
比起H.264/AVC，H.265/HEVC提供了更多不同的工具來降低碼率，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，而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，比如車體的紅色部分和地面的灰色部分)劃分的宏塊較大，編碼后的碼字較少，而細節多的地方(輪胎)劃分的宏塊就相應的小和多一些，編碼后的碼字較多，這樣就相當于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。同時，H.265的幀內預測模式支持33種方向(H.264只支持8種)，并且提供了更好的運動補償處理和矢量預測方法。$ E7 _# V5 P5 `& Y! X/ J
反復的質量比較測試已經表明，在相同的圖象質量下，相比于H.264，通過H.265編碼的視頻碼流大小比H.264減少大約39-44%。由于質量控制的測定方法不同，這個數據也會有相應的變化。通過主觀視覺測試得出的數據顯示，在碼率減少51-74%的情況下，H.265編碼視頻的質量還能與H.264編碼視頻近似甚至更好，其本質上說是比預期的信噪比(PSNR)要好。這些主觀視覺測試的評判標準覆蓋了許多學科，包括心理學和人眼視覺特性等，視頻樣本非常廣泛，雖然它們不能作為最終結論，但這也是非常鼓舞人心的結果。
目前的HEVC標準共有三種模式：Main、Main10和MainStillPicture。Main模式支持8bit色深(即紅綠藍三色各有256個色度，共1670萬色)，Main10模式支持10bit色深，將會用于超高清電視(UHDTV)上。前兩者都將色度采樣格式限制為4：2：0。預期將在2014年對標準有所擴展，將會支持4：2：2和4：4：4采樣格式(即提供了更高的色彩還原度)和多視圖編碼(例如3D立體視頻編碼)。
事實上，H.265和H.264標準在各種功能上有一些重疊。例如，H.264標準中的Hi10P部分就支持10bit色深的視頻。另一個，H.264的部分(Hi444PP)還可以支持4：4：4色度抽樣和14比特色深。在這種情況下，H.265和H.264的區別就體現在前者可以使用更少的帶寬來提供同樣的功能，其代價就是設備計算能力：H.265編碼的視頻需要更多的計算能力來解碼。目前已經有支持H.265解碼的芯片發布了——美國博通公司(Broadcom)在今年1月初的CES大展上發布了一款BrahmaBCM7445芯片，它是一個采用28納米工藝的四核處理器，可以同時轉碼四個1080P視頻數據流或解析分辨率為4096×2160的H.265編碼超高清視頻。
H.265的未來之路
對于普通消費者來說，更關心的肯定是還要多久才能買到支持H.265/HEVC解碼的設備。這就要取決于很多因素了。AMD和Nvidia等顯卡巨頭可能會在相當短的時間內整合H.265，盡管H.265還有許多新功能尚未添加。第一代芯片可能只適用于剛定案的標準，待將來擴展完成后，還會做出支持H.265多視圖解碼的版本。對此杭州海康威視數字股份有限公司俞海表示已經較為深入地評估和實現了H.265算法，并展示了部分相關技術。在本屆深圳安博會上，海康威視大屏幕顯示出的H.265圖像效果，受到參展商的一致認可。目前，H.265的主要問題在于編碼復雜度較高，產品的性能與成本還沒有達到平衡。相信在安防行業的共同努力下，尤其是在IC技術進一步發展后，HEVC可以逐漸取代H.264成為未來的主流。8 k! L" T; Z# e/ `5 M
就目前而言，有線電視和數字電視廣播主要采用仍舊是MPEG-2標準。好消息是，H.265標準的出臺最終可以說服廣播電視公司放棄垂垂老矣的MPEG-2，因為同樣的內容，H.265可以減少70-80%的帶寬消耗。這就可以在現有帶寬條件下輕松支持全高清1080P廣播。但是另一方面，電視廣播公司又很少有想要創新的理由，因為大多數有線電視公司在他們的目標市場中面臨的競爭實在是有限。出于節省帶寬的目的，反而是衛星電視公司可能將會率先采用H.265標準。
從長遠角度看，H.265標準將會成為超高清電視(UHDTV)的4K和8K分辨率的選擇。但這也會帶來其它問題。目前，還極少有原生4K分辨率的視頻內容。H.265標準的完成意味著內容擁有者現在已經有了一個對應的理論標準，但是他們現在還沒有一個統一的方式來傳送內容。索尼正在計劃一個4K電影數字傳送服務，供那些購買索尼4K電視的顧客使用，并且還在今年推出了名為“Masteredin4K”的高清藍光DVD播放器。這些1080p影片是從4K數字母版轉換而來，并且將來有望推出質量更好的“近4K體驗”。) v. |! C5 @) Q. L9 H
藍光光盤協會(TheBlu-rayDiscAssociation)正在研究在藍光光盤標準中支持4K分辨率視頻的方法，但是這可沒那么簡單。理論上H.264在擴展后就可以擁有這個功能，但是到那時碼率問題又會浮出水面。一個H.264編碼的4K藍光電影需要的存儲空間遠大于相同內容的H.265版本，其大小可高達100G以上，而現有的播放器也不支持100-128GB的高容量可刻錄可擦寫光盤(BDXL)。+ N2 G9 O: `0 K/ d O$ u: ?# l
到目前為止，仍然沒有一個妥善解決方案，可以將4K分辨率視頻加入已有的藍光標準中并且不破壞其兼容性。雖然更新到H.265標準并不需要對光盤制造工藝進行改進，但卻需要制造全新的播放器才能將新的藍光光盤播放出來，雖然現在有些播放器可以播放高密度光盤，但那也需要進行設備檢查升級才行。2 }- g& l3 b0 y" d1 G
另一個大問題就是游戲主機對H.265標準的支持。索尼的PS2和PS3主機推動了DVD和藍光標準的發展。而即將發布的PS4理論上很可能將支持4K分辨率的內容，但4K分辨率的視頻該怎樣傳送，通過哪些標準進行支持？這仍然在討論中。! c" f9 |% `$ E2 {
H.265在安防的絆腳石
既然H.265對整個視頻產業的優勢既明顯又迅速，那為什么H.265沒有在安防領域產生大規模的覆蓋效果呢？或許專業視頻監控提供商，杭州海康威視數字股份有限公司的高級算法經理俞海的一席話能夠讓我們對這個問題作出回答。6 b# o6 d9 }& o
俞經理表示從目前來看，H.265產業的發展與推廣，首先可能在專利方面存在風險。據悉，握有H.265重要專利的企業，例如三星、高通以及聯發科，目前尚沒有表明態度愿意將其專利加入到MPEGLA的專利池中，而是保留各自分別收取專利費的可能性。如果H.265實行分別收費，IT產業鏈中其他廠家，尤其是與上述企業存在競爭業務的，很可能對該標準的支持謹慎從事，最終影響標準的大規模應用。其次，具體到安防產業，還存在編碼芯片成本和網絡兼容進程等風險。這兩個風險，可能需要安防產業的上下游，例如IC廠商和系統平臺集成廠商共同努力盡快完善，以促進新標準的推廣。
H.265在安防領域的發展前景，除了上述可能存在的阻礙因素外，還與安防用戶類型有關。對于視頻監控的用戶，可以粗略地劃分成行業型和消費型兩類：行業型用戶如公安、交通、金融和能源等，一般已建或在建專用監控平臺，這類用戶成本相對不敏感，傾向于專業型的安防設備，對于系統的穩定性較為重視，接受H.265可能需要較長的驗證周期。對于消費型的用戶，如家庭、小商鋪等，系統建設的成本較低，新技術的接受普及可能更快一些。所以，H.265可能會首先在第二類，也就是目前頗受看好的民用市場率先獲得應用。! K! `# x$ O: k- n& i$ ?
隨著網絡視頻監控的廣泛應用，高清視頻已經成為市場的主流，然而目前H.264標準在高清視頻監控應用中呈現出越來越多的局限性。1080P的視頻圖像一般需要占用4~10M的帶寬，這給網絡和系統建設帶來了較大的成本壓力。帶寬、成本、技術等原因都成為制約行業快速向高清化發展的瓶頸。H.265/HEVC標準的成熟，會給視頻帶來更高的壓縮比，降低網絡和系統建設成本。根據安防系統建設模型，網絡和存儲設備通常占據建設投資40%左右。
如何最大效率降低網絡帶寬和存儲空間，需要從視頻壓縮編碼入手來解決，采用H.265/HEVC標準的壓縮效率可以比H.264提升50%以上，根據估算可能帶來的投資節省高達20%！
對于H.265的未來，北京中盛益華科技有限公司顧長海也談了他的看法，他認為H.265已經在很多的技術上實現了對H.264的全面超越。無論在功能還是性能上，H.265的功能都幾乎對前者有著覆蓋性的進步，因此如果從這些方面看來，H.265的上位僅僅只是時間的問題。& R \; g; V+ l9 Q5 @: ^2 L, S p7 ~
目前看來，對于H.265/HEVC標準，我們仍需持謹慎樂觀態度。但有一點是肯定的：H.265標準在同等的內容和質量上，會顯著地減少帶寬消耗，有了H.265，高清1080P電視廣播和4K視頻的網絡播放將不再困難，但前提是索尼或者其它媒體巨頭能想出辦法來傳送這些內容。同時，如果移動設備要采用H.265標準，那么其在解碼視頻時對電量的高消耗也是各大廠商需要解決的問題。
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