H.265技術(shù)編碼解析：引爆網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控高清時(shí)代

說(shuō)起H.265可能很多人并不太了解其究竟為何物？但對(duì)于高清視頻的全面普及所有人都趨之若鶩。在這個(gè)電視拼4K極清，網(wǎng)絡(luò)視頻拼超清，視頻監(jiān)控拼高清的“視頻血拼”年代，人們都希望在不用大費(fèi)周章增加帶寬的前提下獲得更高清更唯美的視頻畫(huà)質(zhì)體驗(yàn)。對(duì)于這樣的期待，未來(lái)H.265很可能幫大家實(shí)現(xiàn)。H.265作為一種最新的視頻壓縮技術(shù)能在有限的帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻，僅需H.264的一半帶寬，即可播放相同圖質(zhì)的視頻。這也意味著我們的移動(dòng)設(shè)備(手機(jī)、平板電腦)將能夠直接在線(xiàn)播放全高清(1080P)視頻。

而H.265標(biāo)準(zhǔn)也同時(shí)支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清視頻，可以說(shuō)，H.265標(biāo)準(zhǔn)讓網(wǎng)絡(luò)視頻跟上了顯示屏“高分辨率化”的腳步，可能在幾個(gè)月內(nèi)，你就能看到支持H.265解碼的設(shè)備上市了(如智能手機(jī)、顯卡等)。H.264統(tǒng)治了過(guò)去的五年，而未來(lái)的五年甚至十年，H.265很可能將會(huì)成為主流。此刻，人們不禁會(huì)問(wèn)H.265有哪些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，未來(lái)又會(huì)如何應(yīng)用。本文就帶大家了解H.265的發(fā)展現(xiàn)狀以及其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

H.265究竟為何物

H.265是ITU-TVCEG繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)主要來(lái)源于國(guó)際電聯(lián)ITU-T和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO，ITU的H.26×系列視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)了H.261、H.263，h.263+這樣一個(gè)演進(jìn)過(guò)程。而ISO的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)是MPEG系列，從MPEG1、MEPG2到MPEG4，之后兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組合走向合作，成立了JVT，推出了在當(dāng)前最有效的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，H.264/AVC。從H.264標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布到如今已經(jīng)有五年時(shí)間，在這五年中H.264的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，成熟度不斷提高，而ITU—T在H.264取得初步成功的時(shí)候，ITU—T的視頻編碼特別小組VCEG于2005年就對(duì)視頻編碼技術(shù)提出了更長(zhǎng)遠(yuǎn)的設(shè)想。并規(guī)劃在技術(shù)成熟時(shí)推出新一代的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.265。2012年8月，愛(ài)立信公司推出了首款H.265編解碼器，而在僅僅六個(gè)月之后，國(guó)際電聯(lián)(ITU)就正式批準(zhǔn)通過(guò)了HEVC/H.265標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)全稱(chēng)為高效視頻編碼(HighEfficiencyVideoCoding)，相較于之前的H.264標(biāo)準(zhǔn)有了相當(dāng)大的改善。

提出H.265標(biāo)準(zhǔn).是為了給音視頻服務(wù)提供更好的視頻編碼方法。音視頻服務(wù)包括會(huì)話(huà)式和非會(huì)話(huà)式音視頻服務(wù)。其中會(huì)話(huà)式音視頻服務(wù)包括視頻會(huì)議和可視電話(huà)，非會(huì)話(huà)式音視頻服務(wù)包括流媒體、廣播、文檔下載、媒體存儲(chǔ)/播放和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。H.265標(biāo)準(zhǔn)圍繞著現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264，保留原來(lái)的某些技術(shù)，同時(shí)對(duì)一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)。新技術(shù)使用先進(jìn)的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延遲和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)置。具體的研究?jī)?nèi)容包括：提高壓縮效率、提高魯棒性和錯(cuò)誤恢復(fù)能力、減少實(shí)時(shí)的遲延、減少信道獲取時(shí)間和隨機(jī)接入遲延、降低復(fù)雜度等。H.264由于算法優(yōu)化，可以低于1Mbps的速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)清數(shù)字圖像傳送；H.265則可以實(shí)現(xiàn)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。

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事實(shí)上，H.265視頻壓縮技術(shù)早在H.264發(fā)布后不久，即進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域(KeyTechnicalAreas)技術(shù)研究和評(píng)估，并于2010年由VCEG和MPEG形成聯(lián)合項(xiàng)目HEVC(HighEfficiencyVideoCoding)，將主要目標(biāo)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(kāi)展示了相關(guān)技術(shù)，可見(jiàn)其頗受重視，未來(lái)極有可能取代H.264成為全球主流的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

　　H.265的高明之處

從編碼框架上來(lái)說(shuō)，H.265仍然沿用了H.264的混合編碼框架，但是每個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)都有提升或改進(jìn)。比較大的改進(jìn)是：1)在圖像分塊以及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、變換方面，支持更大尺寸和種類(lèi)；2)更多幀內(nèi)/幀間預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測(cè)和變換模式；3)增加環(huán)內(nèi)采樣自適應(yīng)濾波SAO；4)提供TILE模式，更好地支持并行處理等。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(tái)的有效實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展了空間。

　　H.265與H.264有何不同

在討論H.265有哪些提升和優(yōu)點(diǎn)之前，我們不妨先來(lái)了解一下H.264。H.264也稱(chēng)作MPEG-4AVC(AdvancedVideoCodec，高級(jí)視頻編碼)，是一種視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是一種被廣泛使用的高精度視頻的錄制、壓縮和發(fā)布格式。H.264因其是藍(lán)光光盤(pán)的一種編解碼標(biāo)準(zhǔn)而著名，所有藍(lán)光播放器都必須能解碼H.264。更重要的是，因?yàn)樘O(píng)果公司當(dāng)初毅然決然拋棄了Adobe的VP6編碼，選擇了H.264，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也就隨著數(shù)億臺(tái)iPad和iPhone走入了千家萬(wàn)戶(hù)，成為了目前視頻編碼領(lǐng)域的絕對(duì)霸主，占有超過(guò)80%的份額。H.264也被廣泛用于網(wǎng)絡(luò)流媒體數(shù)據(jù)、各種高清晰度電視廣播以及衛(wèi)星電視廣播等領(lǐng)域。H.264相較于以前的編碼標(biāo)準(zhǔn)有著一些新特性，如多參考幀的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、變塊尺寸運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼等，通過(guò)利用這些新特性，H.264比其他編碼標(biāo)準(zhǔn)有著更高的視頻質(zhì)量和更低的碼率，也因此受到了人們的認(rèn)可，而被廣泛應(yīng)用。

H.265/HEVC的編碼架構(gòu)大致上和H.264/AVC的架構(gòu)相似，也主要包含：幀內(nèi)預(yù)測(cè)(intraprediction)、幀間預(yù)測(cè)(interprediction)、轉(zhuǎn)換(transform)、量化(quantization)、去區(qū)塊濾波器(deblockingfilter)、熵編碼(entropycoding)等模塊。但在HEVC編碼架構(gòu)中，整體被分為了三個(gè)基本單位，分別是：編碼單位(codingunit，CU)、預(yù)測(cè)單位(predictunit，PU)和轉(zhuǎn)換單位(transformunit，TU)。

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　　H.265為何優(yōu)于H.264

比起H.264/AVC，H.265/HEVC提供了更多不同的工具來(lái)降低碼率，以編碼單位來(lái)說(shuō)，H.264中每個(gè)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(qū)域(顏色變化不明顯，比如車(chē)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(xì)節(jié)多的地方(輪胎)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(duì)圖像進(jìn)行了有重點(diǎn)的編碼，從而降低了整體的碼率，編碼效率就相應(yīng)提高了。同時(shí)，H.265的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式支持33種方向(H.264只支持8種)，并且提供了更好的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理和矢量預(yù)測(cè)方法。

反復(fù)的質(zhì)量比較測(cè)試已經(jīng)表明，在相同的圖象質(zhì)量下，相比于H.264，通過(guò)H.265編碼的視頻碼流大小比H.264減少大約39-44%。由于質(zhì)量控制的測(cè)定方法不同，這個(gè)數(shù)據(jù)也會(huì)有相應(yīng)的變化。通過(guò)主觀(guān)視覺(jué)測(cè)試得出的數(shù)據(jù)顯示，在碼率減少51-74%的情況下，H.265編碼視頻的質(zhì)量還能與H.264編碼視頻近似甚至更好，其本質(zhì)上說(shuō)是比預(yù)期的信噪比(PSNR)要好。這些主觀(guān)視覺(jué)測(cè)試的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了許多學(xué)科，包括心理學(xué)和人眼視覺(jué)特性等，視頻樣本非常廣泛，雖然它們不能作為最終結(jié)論，但這也是非常鼓舞人心的結(jié)果。

目前的HEVC標(biāo)準(zhǔn)共有三種模式：Main、Main10和MainStillPicture。Main模式支持8bit色深(即紅綠藍(lán)三色各有256個(gè)色度，共1670萬(wàn)色)，Main10模式支持10bit色深，將會(huì)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(yù)期將在2014年對(duì)標(biāo)準(zhǔn)有所擴(kuò)展，將會(huì)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(shí)上，H.265和H.264標(biāo)準(zhǔn)在各種功能上有一些重疊。例如，H.264標(biāo)準(zhǔn)中的Hi10P部分就支持10bit色深的視頻。另一個(gè)，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(qū)別就體現(xiàn)在前者可以使用更少的帶寬來(lái)提供同樣的功能，其代價(jià)就是設(shè)備計(jì)算能力：H.265編碼的視頻需要更多的計(jì)算能力來(lái)解碼。目前已經(jīng)有支持H.265解碼的芯片發(fā)布了——美國(guó)博通公司(Broadcom)在今年1月初的CES大展上發(fā)布了一款BrahmaBCM7445芯片，它是一個(gè)采用28納米工藝的四核處理器，可以同時(shí)轉(zhuǎn)碼四個(gè)1080P視頻數(shù)據(jù)流或解析分辨率為4096×2160的H.265編碼超高清視頻。

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　　H.265的未來(lái)之路

對(duì)于普通消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，更關(guān)心的肯定是還要多久才能買(mǎi)到支持H.265/HEVC解碼的設(shè)備。這就要取決于很多因素了。AMD和Nvidia等顯卡巨頭可能會(huì)在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，待將來(lái)擴(kuò)展完成后，還會(huì)做出支持H.265多視圖解碼的版本。對(duì)此杭州?？低晹?shù)字股份有限公司俞海表示已經(jīng)較為深入地評(píng)估和實(shí)現(xiàn)了H.265算法，并展示了部分相關(guān)技術(shù)。在本屆深圳安博會(huì)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(rèn)可。目前，H.265的主要問(wèn)題在于編碼復(fù)雜度較高，產(chǎn)品的性能與成本還沒(méi)有達(dá)到平衡。相信在安防行業(yè)的共同努力下，尤其是在IC技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展后，HEVC可以逐漸取代H.264成為未來(lái)的主流。

就目前而言，有線(xiàn)電視和數(shù)字電視廣播主要采用仍舊是MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。好消息是，H.265標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)最終可以說(shuō)服廣播電視公司放棄垂垂老矣的MPEG-2，因?yàn)橥瑯拥膬?nèi)容，H.265可以減少70-80%的帶寬消耗。這就可以在現(xiàn)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?jiǎng)?chuàng)新的理由，因?yàn)榇蠖鄶?shù)有線(xiàn)電視公司在他們的目標(biāo)市場(chǎng)中面臨的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)在是有限。出于節(jié)省帶寬的目的，反而是衛(wèi)星電視公司可能將會(huì)率先采用H.265標(biāo)準(zhǔn)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，H.265標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)成為超高清電視(UHDTV)的4K和8K分辨率的選擇。但這也會(huì)帶來(lái)其它問(wèn)題。目前，還極少有原生4K分辨率的視頻內(nèi)容。H.265標(biāo)準(zhǔn)的完成意味著內(nèi)容擁有者現(xiàn)在已經(jīng)有了一個(gè)對(duì)應(yīng)的理論標(biāo)準(zhǔn)，但是他們現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的方式來(lái)傳送內(nèi)容。索尼正在計(jì)劃一個(gè)4K電影數(shù)字傳送服務(wù)，供那些購(gòu)買(mǎi)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(lán)光DVD播放器。這些1080p影片是從4K數(shù)字母版轉(zhuǎn)換而來(lái)，并且將來(lái)有望推出質(zhì)量更好的“近4K體驗(yàn)”。

藍(lán)光光盤(pán)協(xié)會(huì)(TheBlu-rayDiscAssociation)正在研究在藍(lán)光光盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)中支持4K分辨率視頻的方法，但是這可沒(méi)那么簡(jiǎn)單。理論上H.264在擴(kuò)展后就可以擁有這個(gè)功能，但是到那時(shí)碼率問(wèn)題又會(huì)浮出水面。一個(gè)H.264編碼的4K藍(lán)光電影需要的存儲(chǔ)空間遠(yuǎn)大于相同內(nèi)容的H.265版本，其大小可高達(dá)100G以上，而現(xiàn)有的播放器也不支持100-128GB的高容量可刻錄可擦寫(xiě)光盤(pán)(BDXL)。

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到目前為止，仍然沒(méi)有一個(gè)妥善解決方案，可以將4K分辨率視頻加入已有的藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)中并且不破壞其兼容性。雖然更新到H.265標(biāo)準(zhǔn)并不需要對(duì)光盤(pán)制造工藝進(jìn)行改進(jìn)，但卻需要制造全新的播放器才能將新的藍(lán)光光盤(pán)播放出來(lái)，雖然現(xiàn)在有些播放器可以播放高密度光盤(pán)，但那也需要進(jìn)行設(shè)備檢查升級(jí)才行。

另一個(gè)大問(wèn)題就是游戲主機(jī)對(duì)H.265標(biāo)準(zhǔn)的支持。索尼的PS2和PS3主機(jī)推動(dòng)了DVD和藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。而即將發(fā)布的PS4理論上很可能將支持4K分辨率的內(nèi)容，但4K分辨率的視頻該怎樣傳送，通過(guò)哪些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行支持？這仍然在討論中。

　　H.265在安防的絆腳石

既然H.265對(duì)整個(gè)視頻產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)既明顯又迅速，那為什么H.265沒(méi)有在安防領(lǐng)域產(chǎn)生大規(guī)模的覆蓋效果呢？或許專(zhuān)業(yè)視頻監(jiān)控提供商，杭州?？低晹?shù)字股份有限公司的高級(jí)算法經(jīng)理俞海的一席話(huà)能夠讓我們對(duì)這個(gè)問(wèn)題作出回答。

俞經(jīng)理表示從目前來(lái)看，H.265產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與推廣，首先可能在專(zhuān)利方面存在風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)悉，握有H.265重要專(zhuān)利的企業(yè)，例如三星、高通以及聯(lián)發(fā)科，目前尚沒(méi)有表明態(tài)度愿意將其專(zhuān)利加入到MPEGLA的專(zhuān)利池中，而是保留各自分別收取專(zhuān)利費(fèi)的可能性。如果H.265實(shí)行分別收費(fèi)，IT產(chǎn)業(yè)鏈中其他廠(chǎng)家，尤其是與上述企業(yè)存在競(jìng)爭(zhēng)業(yè)務(wù)的，很可能對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的支持謹(jǐn)慎從事，最終影響標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模應(yīng)用。其次，具體到安防產(chǎn)業(yè)，還存在編碼芯片成本和網(wǎng)絡(luò)兼容進(jìn)程等風(fēng)險(xiǎn)。這兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，可能需要安防產(chǎn)業(yè)的上下游，例如IC廠(chǎng)商和系統(tǒng)平臺(tái)集成廠(chǎng)商共同努力盡快完善，以促進(jìn)新標(biāo)準(zhǔn)的推廣。

H.265在安防領(lǐng)域的發(fā)展前景，除了上述可能存在的阻礙因素外，還與安防用戶(hù)類(lèi)型有關(guān)。對(duì)于視頻監(jiān)控的用戶(hù)，可以粗略地劃分成行業(yè)型和消費(fèi)型兩類(lèi)：行業(yè)型用戶(hù)如公安、交通、金融和能源等，一般已建或在建專(zhuān)用監(jiān)控平臺(tái)，這類(lèi)用戶(hù)成本相對(duì)不敏感，傾向于專(zhuān)業(yè)型的安防設(shè)備，對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性較為重視，接受H.265可能需要較長(zhǎng)的驗(yàn)證周期。對(duì)于消費(fèi)型的用戶(hù)，如家庭、小商鋪等，系統(tǒng)建設(shè)的成本較低，新技術(shù)的接受普及可能更快一些。所以，H.265可能會(huì)首先在第二類(lèi)，也就是目前頗受看好的民用市場(chǎng)率先獲得應(yīng)用。

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隨著網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的廣泛應(yīng)用，高清視頻已經(jīng)成為市場(chǎng)的主流，然而目前H.264標(biāo)準(zhǔn)在高清視頻監(jiān)控應(yīng)用中呈現(xiàn)出越來(lái)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(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)建設(shè)帶來(lái)了較大的成本壓力。帶寬、成本、技術(shù)等原因都成為制約行業(yè)快速向高清化發(fā)展的瓶頸。H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)的成熟，會(huì)給視頻帶來(lái)更高的壓縮比，降低網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)建設(shè)成本。根據(jù)安防系統(tǒng)建設(shè)模型，網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備通常占據(jù)建設(shè)投資40%左右。如何最大效率降低網(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲(chǔ)空間，需要從視頻壓縮編碼入手來(lái)解決，采用H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)的壓縮效率可以比H.264提升50%以上，根據(jù)估算可能帶來(lái)的投資節(jié)省高達(dá)20%！

對(duì)于H.265的未來(lái)，北京中盛益華科技有限公司顧長(zhǎng)海也談了他的看法，他認(rèn)為H.265已經(jīng)在很多的技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)H.264的全面超越。無(wú)論在功能還是性能上，H.265的功能都幾乎對(duì)前者有著覆蓋性的進(jìn)步，因此如果從這些方面看來(lái)，H.265的上位僅僅只是時(shí)間的問(wèn)題。

目前看來(lái)，對(duì)于H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)，我們?nèi)孕璩种?jǐn)慎樂(lè)觀(guān)態(tài)度。但有一點(diǎn)是肯定的：H.265標(biāo)準(zhǔn)在同等的內(nèi)容和質(zhì)量上，會(huì)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(wǎng)絡(luò)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(lái)傳送這些內(nèi)容。同時(shí)，如果移動(dòng)設(shè)備要采用H.265標(biāo)準(zhǔn)，那么其在解碼視頻時(shí)對(duì)電量的高消耗也是各大廠(chǎng)商需要解決的問(wèn)題。

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作者：tee