視頻編碼技術(shù)是監控行業(yè)的基礎技術(shù)，編碼技術(shù)的變革和發(fā)展決定了行業(yè)的發(fā)展方向。2013年發(fā)布的H.265標準是最新一代視頻編碼標準，H.265標準在壓縮性能上比H.264提高了一倍左右，是監控行業(yè)最新的核心主流編碼技術(shù)，極大的推動(dòng)了行業(yè)的進(jìn)步。

一、H.265技術(shù)簡(jiǎn)介

H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。H.265標準圍繞著(zhù)現有的視頻編碼標準H.264，保留原來(lái)的某些技術(shù)，同時(shí)對一些相關(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、延時(shí)和算法復雜度之間的關(guān)系，達到最優(yōu)化設置。具體的研究?jì)热莅ǎ禾岣邏嚎s效率、提高魯棒性和錯誤恢復能力、減少實(shí)時(shí)的時(shí)延、減少信道獲取時(shí)間和隨機接入時(shí)延、降低復雜度等。H.264由于算法優(yōu)化，可以以低于1Mbps的速度實(shí)現標清數字圖像傳送；H.265則可以實(shí)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。

在編碼技術(shù)方面，H.265仍然采用標準的基于塊的混合編碼框架，但是每個(gè)技術(shù)模塊相對H.264都有提升和改進(jìn)?；趬K的混合編碼框架包括幀內預測、幀間預測、變換編碼以及熵編碼技術(shù)，該框架成為了后續視頻編碼標準的基礎。

二、H.265的優(yōu)勢

作為新一代視頻編碼標準，H.265仍然屬于預測加變換的混合編碼框架。然而，相對于H.264，H.265 在很多方面有了革命性的變化。H.265的技術(shù)優(yōu)勢有：

1、靈活的編碼結構

H.265與H.264最大的差異在于編碼塊的劃分，H.264采用16x16的宏塊，而H.265中，將宏塊的大小從H.264的16×16擴展到了64×64，以便于高分辨率視頻的壓縮。同時(shí)，采用了更加靈活的編碼結構來(lái)提高編碼效率，包括編碼單元（Coding Unit）、預測單元（Predict Unit）和變換單元（Transform Unit）。編碼單元增大，能更好地利用圖像相鄰像素信息，對編碼效率的提升貢獻很大。

其中編碼單元類(lèi)似于H.264中的宏塊的概念，用于編碼的過(guò)程，預測單元是進(jìn)行預測的基本單元，變換單元是進(jìn)行變換和量化的基本單元。這三個(gè)單元的分離，使得變換、預測和編碼各個(gè)處理環(huán)節更加靈活，也有利于各環(huán)節的劃分更加符合視頻圖像的紋理特征，有利于各個(gè)單元更優(yōu)化的完成各自的功能。H.265和H.264編碼能力對比見(jiàn)下圖：

2、靈活的塊結構——RQT（ResidualQuad-tree Transform）

RQT是一種自適應的變換技術(shù)，這種思想是對H.264中ABT（Adaptive Block-size Transform）技術(shù)的延伸和擴展。在幀內預測模塊中，H.265進(jìn)一步豐富預測模式，將H.264原來(lái)最多9種方向預測擴展到35種;在幀間預測模塊，H.265改進(jìn)了亞像素插值技術(shù)以及運動(dòng)矢量預測技術(shù);熵編碼模塊中，H.265拋棄了性能較低的CAVLC技術(shù)，只采用CABAC技術(shù)。對于幀間編碼來(lái)說(shuō)，它允許變換塊的大小根據運動(dòng)補償塊的大小進(jìn)行自適應的調整；對于幀內編碼來(lái)說(shuō)，它允許變換塊的大小根據幀內預測殘差的特性進(jìn)行自適應的調整。大塊的變換相對于小塊的變換，一方面能夠提供更好的能量集中效果，并能在量化后保存更多的圖像細節，但是另一方面在量化后卻會(huì )帶來(lái)更多的振鈴效應。因此，根據當前塊信號的特性，自適應的選擇變換塊大小，可以得到能量集中、細節保留程度以及圖像的振鈴效應三者最優(yōu)的折中。

3、采樣點(diǎn)自適應偏移（SampleAdaptive Offset）

SAO在編解碼環(huán)路內，位于Deblock之后，通過(guò)對重建圖像的分類(lèi)，對每一類(lèi)圖像像素值加減一個(gè)偏移，達到減少失真的目的，從而提高壓縮率，減少碼流。采用SAO后，平均可以減少2%~6%的碼流,而編碼器和解碼器的性能消耗僅僅增加了約2%。

4、自適應環(huán)路濾波（AdaptiveLoop Filter）

ALF在編解碼環(huán)路內，位于Deblock和SAO之后，用于恢復重建圖像以達到重建圖像與原始圖像之間的均方差（MSE）最小。ALF的系數是在幀級計算和傳輸的，可以整幀應用ALF，也可以對于基于塊或基于量化樹(shù)（quadtree）的部分區域進(jìn)行ALF，如果是基于部分區域的ALF，還必須傳遞指示區域信息的附加信息。

5、并行化設計

當前芯片架構已經(jīng)從單核性能逐漸往多核并行方向發(fā)展，因此為了適應并行化程度非常高的芯片實(shí)現，H.265引入了很多并行運算的優(yōu)化思路，用垂直和水平的邊界將圖像劃分為一些行和列，劃分出的矩形區域為一個(gè)Tile，每一個(gè)Tile包含整數個(gè)LCU(Largest Coding Unit)，Tile之間可以互相獨立，以此實(shí)現并行處理。除了模塊性能改進(jìn)，H.265標準在制定時(shí)考慮到多核化、并行化的趨勢，在標準中增加了并行處理技術(shù)WPP、Tile。WPP能夠讓H.265的編碼、解碼按圖像行并行，而Tile技術(shù)則按照圖像分塊并行。WPP和Tile都是可選配置，并不是在每個(gè)碼流中都支持，而且兩者只能開(kāi)啟一個(gè)。

三、H.265技術(shù)在監控產(chǎn)品上的發(fā)展趨勢

1、H.265和高清化的結合

今天的視頻監控領(lǐng)域面臨著(zhù)多方面的挑戰和技術(shù)難題。隨著(zhù)攝像機分辨率的不斷增加，出現了更大的百萬(wàn)級像素、全景鷹眼攝像機、甚至是千萬(wàn)級像素，比如：8MP、12MP。同時(shí)隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，遠程的視頻預覽觀(guān)看成為了主流的需求，遠程觀(guān)看這樣的大分辨率視頻而帶來(lái)了巨大的網(wǎng)絡(luò )傳輸壓力，同時(shí)超高清分辨率的監控視頻存儲也加大了存儲壓力。這幾個(gè)方面的困境已無(wú)法通過(guò)H.264進(jìn)行突破，H.265相比H.264，對高清化視頻更高的壓縮率可極大的緩解這一壓力。比如，對3MP分辨率的H.265網(wǎng)絡(luò )攝像機，2Mbps的H.265的碼流解碼效果和4Mbps的H.264圖像效果相當。相比H.264，對視頻監控網(wǎng)絡(luò )方案實(shí)施和工程建設來(lái)說(shuō)，能夠節省許多預算開(kāi)支。

2、H.265和智能算法的結合

除了高清化的趨勢，還有一種趨勢是智能化和H.265編碼的有機配合。從算法的角度理解，視頻壓縮算法中也使用了大量的智能分析算法，視頻壓縮的根本是根據對視頻圖像場(chǎng)景的理解，有效的剔除時(shí)間冗余、空間冗余、概率冗余等，在保留信息的前提下，達到壓縮的目的，以盡可能的接近視頻圖像信息熵。若智能分析算法和H.265編碼器更大程度的結合使用，更能進(jìn)一步降低碼率，提升圖像質(zhì)量。目前H.265還在標準的發(fā)展和推廣階段，智能化算法的優(yōu)化是推動(dòng)H.265技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和突破的助力。

3、H.265和4K的結合

H.264讓1080p風(fēng)暴席卷了全球，但卻再也無(wú)力引領(lǐng)4K潮流。H.264引以為豪的高壓縮率在4K的龐大體積中顯得是如此無(wú)能力，牽引4K乃至8K視頻的重擔，就落在H.264的繼任者——H.265身上了。4K技術(shù)是視頻領(lǐng)域的一個(gè)突破，其更為寬廣的色域、更為高清的分辨率給了人們更為豐富逼真的視覺(jué)體驗，但對于視頻編碼處理來(lái)說(shuō)4K是一個(gè)巨大的壓力和挑戰，但H.265以其超高的視頻壓縮率和智能化實(shí)現了和4K的完美結合，更為寬廣的宏塊和并行處理速度呈現了纖毫畢現的細膩畫(huà)質(zhì)，豐富絕倫的圖像細節，流暢自然的播放效果。高清和智能實(shí)際是需求與被需求的關(guān)系，高清產(chǎn)生的海量數據需要智能協(xié)助處理，智能分析需要清晰的、高質(zhì)量的圖像支撐。清晰度的提升，意味著(zhù)圖像細節更豐富，同時(shí)也更意味著(zhù)取證、調查、分析的數據更可靠。

四、總結

由于開(kāi)發(fā)的難度以及對于硬件支持的高要求使得H.265的發(fā)展受到了一定的阻礙，但安防行業(yè)編解碼未來(lái)的發(fā)展趨勢是更高的壓縮性，更高清的視頻效果，雖然今天H.264仍然占據了網(wǎng)絡(luò )視頻碼流的80%左右，但是未來(lái)的十年間，H.265一定會(huì )以自身的優(yōu)勢成為絕對的核心主流占據絕大多數的市場(chǎng)，同時(shí)隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的推動(dòng)，H.265的發(fā)展和推廣會(huì )更快速，更廣泛。

東莞邁視張金美整理