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H.265在監控領域的發展及應用
編輯 :  重慶監控公司    2017-12-15 10:44:02

視(shi)(shi)頻(pin)編(bian)(bian)碼技術(shu)是(shi)監控(kong)(kong)行(xing)業(ye)的(de)基(ji)礎(chu)技術(shu),編(bian)(bian)碼技術(shu)的(de)變革和發(fa)展決定了行(xing)業(ye)的(de)發(fa)展方向。2013年發(fa)布(bu)的(de)H.265標準(zhun)(zhun)是(shi)最新一(yi)代視(shi)(shi)頻(pin)編(bian)(bian)碼標準(zhun)(zhun),H.265標準(zhun)(zhun)在(zai)壓(ya)縮性能上比H.264提(ti)高(gao)了一(yi)倍左(zuo)右,是(shi)監控(kong)(kong)行(xing)業(ye)最新的(de)核心主流編(bian)(bian)碼技術(shu),極大的(de)推動了行(xing)業(ye)的(de)進步。

  一、H.265技(ji)術簡介(jie)

  H.265是(shi)ITU-T VCEG 繼H.264之(zhi)后所制定的(de)新(xin)的(de)視頻(pin)編(bian)碼(ma)(ma)標(biao)準。H.265標(biao)準圍繞著(zhu)現有的(de)視頻(pin)編(bian)碼(ma)(ma)標(biao)準H.264,保留原(yuan)來的(de)某些技(ji)術(shu),同(tong)時(shi)對一些相關(guan)的(de)技(ji)術(shu)加(jia)以(yi)改進。新(xin)技(ji)術(shu)使用(yong)先進的(de)技(ji)術(shu)用(yong)以(yi)改善碼(ma)(ma)流、編(bian)碼(ma)(ma)質量、延時(shi)和(he)(he)算(suan)法復雜(za)度(du)(du)之(zhi)間(jian)的(de)關(guan)系,達到最優化(hua)設置。具體(ti)的(de)研究內(nei)容包(bao)括(kuo):提高壓縮效率、提高魯(lu)棒性(xing)和(he)(he)錯誤(wu)恢(hui)復能力、減少實時(shi)的(de)時(shi)延、減少信道(dao)獲取時(shi)間(jian)和(he)(he)隨(sui)機接入時(shi)延、降低復雜(za)度(du)(du)等。H.264由于(yu)算(suan)法優化(hua),可以(yi)以(yi)低于(yu)1Mbps的(de)速度(du)(du)實現標(biao)清數字圖(tu)像(xiang)傳(chuan)(chuan)送;H.265則可以(yi)實現利(li)用(yong)1~2Mbps的(de)傳(chuan)(chuan)輸速度(du)(du)傳(chuan)(chuan)送720P(分辨率1280*720)普通高清音視頻(pin)傳(chuan)(chuan)送。

  在編(bian)碼(ma)技術(shu)方面(mian),H.265仍然(ran)采用標準的基于塊(kuai)的混合編(bian)碼(ma)框架(jia),但是每個(ge)技術(shu)模塊(kuai)相對H.264都有(you)提升和改進。基于塊(kuai)的混合編(bian)碼(ma)框架(jia)包括幀(zhen)內預(yu)測(ce)、幀(zhen)間預(yu)測(ce)、變換編(bian)碼(ma)以及熵編(bian)碼(ma)技術(shu),該(gai)框架(jia)成為了(le)后續視頻(pin)編(bian)碼(ma)標準的基礎(chu)。

  二、H.265的優勢

  作為新一代視頻編(bian)碼標(biao)準,H.265仍然屬于預(yu)測加變換的混合編(bian)碼框(kuang)架。然而,相對于H.264,H.265 在(zai)很多方面(mian)有了(le)革命(ming)性的變化。H.265的技(ji)術優勢有:

  1、靈活的(de)編碼結構

  H.265與H.264最大(da)的差異在(zai)于編(bian)(bian)碼(ma)塊的劃分,H.264采用16x16的宏塊,而(er)H.265中,將宏塊的大(da)小從H.264的16×16擴(kuo)展到了(le)64×64,以(yi)便于高分辨率(lv)視頻的壓縮。同時(shi),采用了(le)更加靈活的編(bian)(bian)碼(ma)結構來提高編(bian)(bian)碼(ma)效(xiao)率(lv),包括(kuo)編(bian)(bian)碼(ma)單元(yuan)(Coding Unit)、預測單元(yuan)(Predict Unit)和變換單元(yuan)(Transform Unit)。編(bian)(bian)碼(ma)單元(yuan)增大(da),能更好地利(li)用圖像相鄰(lin)像素信息,對編(bian)(bian)碼(ma)效(xiao)率(lv)的提升貢獻很大(da)。

  其中編(bian)碼單元(yuan)類(lei)似(si)于(yu)H.264中的(de)(de)宏塊(kuai)的(de)(de)概念,用于(yu)編(bian)碼的(de)(de)過程,預測(ce)單元(yuan)是進(jin)行預測(ce)的(de)(de)基本單元(yuan),變換單元(yuan)是進(jin)行變換和量化(hua)的(de)(de)基本單元(yuan)。這三個(ge)單元(yuan)的(de)(de)分(fen)離,使得(de)變換、預測(ce)和編(bian)碼各個(ge)處理環節更(geng)加(jia)靈活(huo),也有(you)利于(yu)各環節的(de)(de)劃分(fen)更(geng)加(jia)符合視頻圖像的(de)(de)紋理特征,有(you)利于(yu)各個(ge)單元(yuan)更(geng)優(you)化(hua)的(de)(de)完成各自的(de)(de)功能(neng)。H.265和H.264編(bian)碼能(neng)力對比見下圖:

  2、靈活的塊(kuai)結(jie)構——RQT(ResidualQuad-tree Transform)

  RQT是(shi)一種自(zi)適(shi)應(ying)的(de)(de)(de)(de)變(bian)換(huan)技(ji)術(shu),這種思想是(shi)對(dui)H.264中ABT(Adaptive Block-size Transform)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)延伸和擴展。在幀(zhen)(zhen)內(nei)預測模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)中,H.265進一步(bu)豐富預測模(mo)式,將(jiang)H.264原(yuan)來最(zui)(zui)多9種方向預測擴展到35種;在幀(zhen)(zhen)間預測模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai),H.265改(gai)進了亞像素插(cha)值(zhi)技(ji)術(shu)以(yi)及運動矢量(liang)預測技(ji)術(shu);熵編(bian)(bian)碼模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)中,H.265拋棄了性能(neng)較低的(de)(de)(de)(de)CAVLC技(ji)術(shu),只采用CABAC技(ji)術(shu)。對(dui)于幀(zhen)(zhen)間編(bian)(bian)碼來說,它允許變(bian)換(huan)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)(de)大(da)(da)(da)小(xiao)根(gen)據運動補(bu)償塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)(de)大(da)(da)(da)小(xiao)進行自(zi)適(shi)應(ying)的(de)(de)(de)(de)調整;對(dui)于幀(zhen)(zhen)內(nei)編(bian)(bian)碼來說,它允許變(bian)換(huan)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)(de)大(da)(da)(da)小(xiao)根(gen)據幀(zhen)(zhen)內(nei)預測殘差的(de)(de)(de)(de)特性進行自(zi)適(shi)應(ying)的(de)(de)(de)(de)調整。大(da)(da)(da)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)(de)變(bian)換(huan)相對(dui)于小(xiao)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)(de)變(bian)換(huan),一方面能(neng)夠提供更(geng)(geng)好的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)集中效(xiao)果,并(bing)能(neng)在量(liang)化(hua)后保存(cun)更(geng)(geng)多的(de)(de)(de)(de)圖像細節,但是(shi)另一方面在量(liang)化(hua)后卻會帶來更(geng)(geng)多的(de)(de)(de)(de)振鈴效(xiao)應(ying)。因此(ci),根(gen)據當前塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)信號的(de)(de)(de)(de)特性,自(zi)適(shi)應(ying)的(de)(de)(de)(de)選擇變(bian)換(huan)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)大(da)(da)(da)小(xiao),可以(yi)得(de)到能(neng)量(liang)集中、細節保留(liu)程度以(yi)及圖像的(de)(de)(de)(de)振鈴效(xiao)應(ying)三者(zhe)最(zui)(zui)優的(de)(de)(de)(de)折中。

  3、采樣(yang)點(dian)自適應偏移(SampleAdaptive Offset)

  SAO在編解碼環路內,位于Deblock之(zhi)后,通過對重建圖(tu)像(xiang)的分(fen)類,對每一類圖(tu)像(xiang)像(xiang)素(su)值加減(jian)一個偏(pian)移,達到減(jian)少失真的目的,從而提高壓縮(suo)率,減(jian)少碼流(liu)。采用SAO后,平(ping)均(jun)可(ke)以減(jian)少2%~6%的碼流(liu),而編碼器和解碼器的性能消耗(hao)僅僅增加了(le)約2%。

  4、自(zi)適(shi)應環路濾波(bo)(AdaptiveLoop Filter)

  ALF在編解碼環路內,位于(yu)Deblock和(he)(he)SAO之(zhi)后,用(yong)于(yu)恢復(fu)重建(jian)(jian)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)以達到(dao)重建(jian)(jian)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)與原始(shi)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)之(zhi)間(jian)的(de)均方差(MSE)最小(xiao)。ALF的(de)系數是在幀級計算和(he)(he)傳輸(shu)的(de),可以整幀應用(yong)ALF,也可以對于(yu)基于(yu)塊(kuai)或基于(yu)量化樹(quadtree)的(de)部分(fen)區(qu)域進(jin)行(xing)ALF,如果是基于(yu)部分(fen)區(qu)域的(de)ALF,還必須傳遞指(zhi)示區(qu)域信(xin)息的(de)附加信(xin)息。

  5、并(bing)行(xing)化(hua)設計

  當前芯片(pian)架(jia)構已經從單(dan)核(he)性能逐漸往多核(he)并(bing)(bing)行(xing)(xing)(xing)方向發展,因此(ci)為了適(shi)應并(bing)(bing)行(xing)(xing)(xing)化程度非常高的(de)(de)(de)芯片(pian)實(shi)現,H.265引入了很(hen)多并(bing)(bing)行(xing)(xing)(xing)運(yun)算的(de)(de)(de)優化思(si)路(lu),用垂直和水(shui)平的(de)(de)(de)邊(bian)界將圖像劃(hua)分為一(yi)些行(xing)(xing)(xing)和列(lie),劃(hua)分出的(de)(de)(de)矩形區域為一(yi)個(ge)Tile,每(mei)一(yi)個(ge)Tile包含整數個(ge)LCU(Largest Coding Unit),Tile之間可以(yi)互相獨立,以(yi)此(ci)實(shi)現并(bing)(bing)行(xing)(xing)(xing)處(chu)理。除了模塊(kuai)性能改進,H.265標準在制定時考慮到多核(he)化、并(bing)(bing)行(xing)(xing)(xing)化的(de)(de)(de)趨(qu)勢,在標準中增加了并(bing)(bing)行(xing)(xing)(xing)處(chu)理技(ji)術(shu)WPP、Tile。WPP能夠(gou)讓H.265的(de)(de)(de)編碼、解碼按(an)圖像行(xing)(xing)(xing)并(bing)(bing)行(xing)(xing)(xing),而Tile技(ji)術(shu)則按(an)照圖像分塊(kuai)并(bing)(bing)行(xing)(xing)(xing)。WPP和Tile都是(shi)可選配置,并(bing)(bing)不是(shi)在每(mei)個(ge)碼流(liu)中都支持,而且兩者只能開啟(qi)一(yi)個(ge)。

  三(san)、H.265技術(shu)在監控產品(pin)上的發展趨勢

  1、H.265和高清化的結合

  今天的(de)(de)(de)視(shi)頻監控領域面(mian)臨著(zhu)多方(fang)面(mian)的(de)(de)(de)挑(tiao)戰和(he)技術難(nan)題。隨(sui)著(zhu)攝(she)像機(ji)分辨率的(de)(de)(de)不斷增加,出現了更大的(de)(de)(de)百萬(wan)級像素(su)(su)、全景鷹眼攝(she)像機(ji)、甚至是千萬(wan)級像素(su)(su),比如:8MP、12MP。同時隨(sui)著(zhu)互聯網(wang)技術的(de)(de)(de)發展,遠程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)視(shi)頻預覽觀(guan)看成為(wei)了主流的(de)(de)(de)需求,遠程(cheng)(cheng)觀(guan)看這(zhe)(zhe)(zhe)樣的(de)(de)(de)大分辨率視(shi)頻而帶來了巨大的(de)(de)(de)網(wang)絡傳輸壓(ya)(ya)力,同時超高(gao)清分辨率的(de)(de)(de)監控視(shi)頻存儲也加大了存儲壓(ya)(ya)力。這(zhe)(zhe)(zhe)幾個(ge)方(fang)面(mian)的(de)(de)(de)困境已無(wu)法通過H.264進行突破,H.265相比H.264,對(dui)高(gao)清化視(shi)頻更高(gao)的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)縮率可極(ji)大的(de)(de)(de)緩解這(zhe)(zhe)(zhe)一(yi)壓(ya)(ya)力。比如,對(dui)3MP分辨率的(de)(de)(de)H.265網(wang)絡攝(she)像機(ji),2Mbps的(de)(de)(de)H.265的(de)(de)(de)碼(ma)流解碼(ma)效果和(he)4Mbps的(de)(de)(de)H.264圖(tu)像效果相當。相比H.264,對(dui)視(shi)頻監控網(wang)絡方(fang)案實(shi)施和(he)工程(cheng)(cheng)建(jian)設來說,能夠(gou)節省(sheng)許多預算開(kai)支。

  2、H.265和智能算法的結合

  除了(le)高清化的(de)趨(qu)勢,還有一種趨(qu)勢是智(zhi)能(neng)化和(he)H.265編碼的(de)有機配合。從算(suan)(suan)法(fa)(fa)的(de)角度理(li)解(jie),視頻(pin)壓縮(suo)算(suan)(suan)法(fa)(fa)中也(ye)使用(yong)了(le)大(da)量的(de)智(zhi)能(neng)分(fen)析(xi)算(suan)(suan)法(fa)(fa),視頻(pin)壓縮(suo)的(de)根本是根據(ju)對視頻(pin)圖(tu)(tu)像場(chang)景(jing)的(de)理(li)解(jie),有效的(de)剔(ti)除時間(jian)冗(rong)余(yu)(yu)、空間(jian)冗(rong)余(yu)(yu)、概(gai)率(lv)冗(rong)余(yu)(yu)等,在保留信息的(de)前提下(xia),達(da)到壓縮(suo)的(de)目(mu)的(de),以盡可能(neng)的(de)接近視頻(pin)圖(tu)(tu)像信息熵。若智(zhi)能(neng)分(fen)析(xi)算(suan)(suan)法(fa)(fa)和(he)H.265編碼器更(geng)大(da)程度的(de)結合使用(yong),更(geng)能(neng)進一步降(jiang)低碼率(lv),提升圖(tu)(tu)像質量。目(mu)前H.265還在標準的(de)發展和(he)推廣(guang)階(jie)段,智(zhi)能(neng)化算(suan)(suan)法(fa)(fa)的(de)優化是推動H.265技術進一步發展和(he)突(tu)破的(de)助(zhu)力(li)。

  3、H.265和4K的(de)結合

  H.264讓1080p風(feng)暴(bao)席(xi)卷了(le)全球,但卻再(zai)也無力引(yin)領4K潮流(liu)。H.264引(yin)以(yi)為(wei)豪的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)壓縮率在(zai)4K的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)龐大體(ti)積中顯(xian)得是(shi)(shi)如此無能(neng)力,牽引(yin)4K乃至8K視(shi)(shi)頻(pin)(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)擔,就落在(zai)H.264的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)繼任者——H.265身上(shang)了(le)。4K技術是(shi)(shi)視(shi)(shi)頻(pin)(pin)領域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一個突破,其更(geng)為(wei)寬廣(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)色(se)域、更(geng)為(wei)高(gao)(gao)清(qing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分辨率給了(le)人們更(geng)為(wei)豐(feng)富逼真的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)視(shi)(shi)覺體(ti)驗,但對(dui)于視(shi)(shi)頻(pin)(pin)編碼處理(li)(li)來說4K是(shi)(shi)一個巨大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓力和(he)挑戰,但H.265以(yi)其超高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)視(shi)(shi)頻(pin)(pin)壓縮率和(he)智能(neng)化實現了(le)和(he)4K的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)完美結合,更(geng)為(wei)寬廣(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)宏塊(kuai)和(he)并行處理(li)(li)速度呈(cheng)現了(le)纖(xian)毫(hao)畢現的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)細(xi)膩畫質,豐(feng)富絕倫的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)細(xi)節,流(liu)暢自然(ran)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)播(bo)放效果。高(gao)(gao)清(qing)和(he)智能(neng)實際是(shi)(shi)需(xu)求(qiu)與(yu)被需(xu)求(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關系,高(gao)(gao)清(qing)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)海量數據需(xu)要(yao)智能(neng)協助處理(li)(li),智能(neng)分析需(xu)要(yao)清(qing)晰(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)、高(gao)(gao)質量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)支撐。清(qing)晰(xi)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)提升,意(yi)味著圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)細(xi)節更(geng)豐(feng)富,同時(shi)也更(geng)意(yi)味著取證、調查、分析的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)數據更(geng)可(ke)靠。

  針對(dui)這樣的(de)(de)(de)行(xing)業(ye)發展趨勢,主流(liu)的(de)(de)(de)安防行(xing)業(ye)廠商(shang)都加快(kuai)了(le)H.265技術的(de)(de)(de)研(yan)發和產品(pin)的(de)(de)(de)推出(chu),天地偉業(ye)基(ji)于H.265技術推出(chu)了(le)攝(she)像(xiang)(xiang)機(ji)(ji)、硬盤錄像(xiang)(xiang)及(ji)及(ji)解(jie)碼拼控(kong)(kong)(kong)云(yun)主機(ji)(ji)等一(yi)系列全方(fang)案覆蓋的(de)(de)(de)監控(kong)(kong)(kong)產品(pin),可以(yi)(yi)實現H.265編(bian)碼的(de)(de)(de)采、傳、存、顯、控(kong)(kong)(kong)一(yi)體化。H.265的(de)(de)(de)超(chao)星光攝(she)像(xiang)(xiang)機(ji)(ji)實現了(le)24小(xiao)時(shi)的(de)(de)(de)全彩(cai)監控(kong)(kong)(kong),并且在超(chao)高畫(hua)質的(de)(de)(de)同時(shi)降(jiang)低(di)了(le)網絡傳輸(shu)帶寬;基(ji)于H.265編(bian)解(jie)碼技術開發的(de)(de)(de)硬盤錄像(xiang)(xiang)機(ji)(ji)相(xiang)比H.264編(bian)碼壓(ya)(ya)縮了(le)一(yi)倍(bei)的(de)(de)(de)碼率,大大降(jiang)低(di)了(le)存儲(chu)壓(ya)(ya)力和帶寬壓(ya)(ya)力,提(ti)高硬盤的(de)(de)(de)使(shi)用時(shi)間(jian)(jian),降(jiang)低(di)了(le)客(ke)戶實際的(de)(de)(de)使(shi)用成本(ben);H.265的(de)(de)(de)解(jie)碼拼控(kong)(kong)(kong)云(yun)主機(ji)(ji)更是引領解(jie)碼器的(de)(de)(de)發展潮流(liu),超(chao)高清的(de)(de)(de)4K輸(shu)出(chu),可以(yi)(yi)實現無(wu)極縮放和開窗漫游,并且可以(yi)(yi)進(jin)行(xing)大屏的(de)(de)(de)級(ji)聯拼控(kong)(kong)(kong),最(zui)多可達96屏輸(shu)出(chu),同時(shi)支持小(xiao)間(jian)(jian)距(ju)屏的(de)(de)(de)拼接輸(shu)出(chu),可以(yi)(yi)滿足大型展示、監控(kong)(kong)(kong)終端的(de)(de)(de)解(jie)碼上墻需求(qiu),是H.265家族(zu)的(de)(de)(de)明星產品(pin)。

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