H.265技术编码解析：引爆网络视频监控高清时代
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说起H.265可能很多人并不太了解其究竟为何物？但对于高清视频的全面普及所有人都趋之若鹜。在这个电视拼4K极清，网络视频拼超清，视频监控拼高清的“视频血拼”年代，人们都希望在不用大费周章增加带宽的前提下获得更高清更唯美的视频画质体验。对于这样的期待，未来H.265很可能帮大家实现。H.265作为一种最新的视频压缩技术能在有限的带宽下传输更高质量的网络视频，仅需H.264的一半带宽，即可播放相同图质的视频。这也意味着我们的移动设备(手机、平板电脑)将能够直接在线播放全高清(1080P)视频。
而H.265标准也同时支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清视频，可以说，H.265标准让网络视频跟上了显示屏“高分辨率化”的脚步，可能在几个月内，你就能看到支持H.265解码的设备上市了(如智能手机、显卡等)。H.264统治了过去的五年，而未来的五年甚至十年，H.265很可能将会成为主流。此刻，人们不禁会问H.265有哪些技术优势，未来又会如何应用。本文就带大家了解H.265的发展现状以及其未来的发展趋势。
H.265究竟为何物
H.265是ITU-TVCEG继H.264之后所制定的新的视频编码标准。目前世界上的视频编解码标准主要来源于国际电联ITU-T和国际标准化组织ISO，ITU的H.26×系列视频压缩标准经过了H.261、H.263，h.263+这样一个演进过程。而ISO的视频压缩标准是MPEG系列，从MPEG1、MEPG2到MPEG4，之后两个标准化组合走向合作，成立了JVT，推出了在当前最有效的视频压缩标准，H.264/AVC。从H.264标准发布到如今已经有五年时间，在这五年中H.264的应用范围不断扩展，成熟度不断提高，而ITU—T在H.264取得初步成功的时候，ITU—T的视频编码特别小组VCEG于2005年就对视频编码技术提出了更长远的设想。并规划在技术成熟时推出新一代的视频编码标准H.265。2012年8月，爱立信公司推出了首款H.265编解码器，而在仅仅六个月之后，国际电联(ITU)就正式批准通过了HEVC/H.265标准，标准全称为高效视频编码(HighEfficiencyVideoCoding)，相较于之前的H.264标准有了相当大的改善。
提出H.265标准.是为了给音视频服务提供更好的视频编码方法。音视频服务包括会话式和非会话式音视频服务。其中会话式音视频服务包括视频会议和可视电话，非会话式音视频服务包括流媒体、广播、文档下载、媒体存储/播放和数字摄像机。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延迟和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。具体的研究内容包括：提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的迟延、减少信道获取时间和随机接入迟延、降低复杂度等。H.264由于算法优化，可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送；H.265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P(分辨率1280×720)普通高清音视频传送。
事实上，H.265视频压缩技术早在H.264发布后不久，即进行了关键技术领域(KeyTechnicalAreas)技术研究和评估，并于2010年由VCEG和MPEG形成联合项目HEVC(HighEfficiencyVideoCoding)，将主要目标定义为在1080P分辨率上，相比H.264/AVC提高一倍左右的压缩比，并提供更高分辨率的有效支持。目前，三星、高通、博通以及华为等IT巨头都公开展示了相关技术，可见其颇受重视，未来极有可能取代H.264成为全球主流的视频压缩标准。
H.265的高明之处
从编码框架上来说，H.265仍然沿用了H.264的混合编码框架，但是每个技术细节都有提升或改进。比较大的改进是：1)在图像分块以及运动补偿、变换方面，支持更大尺寸和种类；2)更多帧内/帧间预测、运动矢量预测和变换模式；3)增加环内采样自适应滤波SAO；4)提供TILE模式，更好地支持并行处理等。这些新技术的应用，不但有效地提高压缩性能，也为各种处理器平台的有效实现扩展了空间。
H.265与H.264有何不同
在讨论H.265有哪些提升和优点之前，我们不妨先来了解一下H.264。H.264也称作MPEG-4AVC(AdvancedVideoCodec，高级视频编码)，是一种视频压缩标准，同时也是一种被广泛使用的高精度视频的录制、压缩和发布格式。H.264因其是蓝光光盘的一种编解码标准而著名，所有蓝光播放器都必须能解码H.264。更重要的是，因为苹果公司当初毅然决然抛弃了Adobe的VP6编码，选择了H.264，这个标准也就随着数亿台iPad和iPhone走入了千家万户，成为了目前视频编码领域的绝对霸主，占有超过80%的份额。H.264也被广泛用于网络流媒体数据、各种高清晰度电视广播以及卫星电视广播等领域。H.264相较于以前的编码标准有着一些新特性，如多参考帧的运动补偿、变块尺寸运动补偿、帧内预测编码等，通过利用这些新特性，H.264比其他编码标准有着更高的视频质量和更低的码率，也因此受到了人们的认可，而被广泛应用。
H.265/HEVC的编码架构大致上和H.264/AVC的架构相似，也主要包含：帧内预测(intraprediction)、帧间预测(interprediction)、转换(transform)、量化(quantization)、去区块滤波器(deblockingfilter)、熵编码(entropycoding)等模块。但在HEVC编码架构中，整体被分为了三个基本单位，分别是：编码单位(codingunit，CU)、预测单位(predictunit，PU)和转换单位(transformunit，TU)。
H.265为何优于H.264
比起H.264/AVC，H.265/HEVC提供了更多不同的工具来降低码率，以编码单位来说，H.264中每个宏块(marcoblock，MB)大小都是固定的16x16像素，而H.265的编码单位可以选择从最小的8x8到最大的64x64。信息量不多的区域(颜色变化不明显，比如车体的红色部分和地面的灰色部分)划分的宏块较大，编码后的码字较少，而细节多的地方(轮胎)划分的宏块就相应的小和多一些，编码后的码字较多，这样就相当于对图像进行了有重点的编码，从而降低了整体的码率，编码效率就相应提高了。同时，H.265的帧内预测模式支持33种方向(H.264只支持8种)，并且提供了更好的运动补偿处理和矢量预测方法。
反复的质量比较测试已经表明，在相同的图象质量下，相比于H.264，通过H.265编码的视频码流大小比H.264减少大约39-44%。由于质量控制的测定方法不同，这个数据也会有相应的变化。通过主观视觉测试得出的数据显示，在码率减少51-74%的情况下，H.265编码视频的质量还能与H.264编码视频近似甚至更好，其本质上说是比预期的信噪比(PSNR)要好。这些主观视觉测试的评判标准覆盖了许多学科，包括心理学和人眼视觉特性等，视频样本非常广泛，虽然它们不能作为最终结论，但这也是非常鼓舞人心的结果。
目前的HEVC标准共有三种模式：Main、Main10和MainStillPicture。Main模式支持8bit色深(即红绿蓝三色各有256个色度，共1670万色)，Main10模式支持10bit色深，将会用于超高清电视(UHDTV)上。前两者都将色度采样格式限制为4：2：0。预期将在2014年对标准有所扩展，将会支持4：2：2和4：4：4采样格式(即提供了更高的色彩还原度)和多视图编码(例如3D立体视频编码)。
事实上，H.265和H.264标准在各种功能上有一些重叠。例如，H.264标准中的Hi10P部分就支持10bit色深的视频。另一个，H.264的部分(Hi444PP)还可以支持4：4：4色度抽样和14比特色深。在这种情况下，H.265和H.264的区别就体现在前者可以使用更少的带宽来提供同样的功能，其代价就是设备计算能力：H.265编码的视频需要更多的计算能力来解码。目前已经有支持H.265解码的芯片发布了——美国博通公司(Broadcom)在今年1月初的CES大展上发布了一款BrahmaBCM7445芯片，它是一个采用28纳米工艺的四核处理器，可以同时转码四个1080P视频数据流或解析分辨率为4096×2160的H.265编码超高清视频。
H.265的未来之路
对于普通消费者来说，更关心的肯定是还要多久才能买到支持H.265/HEVC解码的设备。这就要取决于很多因素了。AMD和Nvidia等显卡巨头可能会在相当短的时间内整合H.265，尽管H.265还有许多新功能尚未添加。第一代芯片可能只适用于刚定案的标准，待将来扩展完成后，还会做出支持H.265多视图解码的版本。对此杭州海康威视数字股份有限公司俞海表示已经较为深入地评估和实现了H.265算法，并展示了部分相关技术。在本届深圳安博会上，海康威视大屏幕显示出的H.265图像效果，受到参展商的一致认可。目前，H.265的主要问题在于编码复杂度较高，产品的性能与成本还没有达到平衡。相信在安防行业的共同努力下，尤其是在IC技术进一步发展后，HEVC可以逐渐取代H.264成为未来的主流。
就目前而言，有线电视和数字电视广播主要采用仍旧是MPEG-2标准。好消息是，H.265标准的出台最终可以说服广播电视公司放弃垂垂老矣的MPEG-2，因为同样的内容，H.265可以减少70-80%的带宽消耗。这就可以在现有带宽条件下轻松支持全高清1080P广播。但是另一方面，电视广播公司又很少有想要创新的理由，因为大多数有线电视公司在他们的目标市场中面临的竞争实在是有限。出于节省带宽的目的，反而是卫星电视公司可能将会率先采用H.265标准。
从长远角度看，H.265标准将会成为超高清电视(UHDTV)的4K和8K分辨率的选择。但这也会带来其它问题。目前，还极少有原生4K分辨率的视频内容。H.265标准的完成意味着内容拥有者现在已经有了一个对应的理论标准，但是他们现在还没有一个统一的方式来传送内容。索尼正在计划一个4K电影数字传送服务，供那些购买索尼4K电视的顾客使用，并且还在今年推出了名为“Masteredin4K”的高清蓝光DVD播放器。这些1080p影片是从4K数字母版转换而来，并且将来有望推出质量更好的“近4K体验”。
蓝光光盘协会(TheBlu-rayDiscAssociation)正在研究在蓝光光盘标准中支持4K分辨率视频的方法，但是这可没那么简单。理论上H.264在扩展后就可以拥有这个功能，但是到那时码率问题又会浮出水面。一个H.264编码的4K蓝光电影需要的存储空间远大于相同内容的H.265版本，其大小可高达100G以上，而现有的播放器也不支持100-128GB的高容量可刻录可擦写光盘(BDXL)。
到目前为止，仍然没有一个妥善解决方案，可以将4K分辨率视频加入已有的蓝光标准中并且不破坏其兼容性。虽然更新到H.265标准并不需要对光盘制造工艺进行改进，但却需要制造全新的播放器才能将新的蓝光光盘播放出来，虽然现在有些播放器可以播放高密度光盘，但那也需要进行设备检查升级才行。
另一个大问题就是游戏主机对H.265标准的支持。索尼的PS2和PS3主机推动了DVD和蓝光标准的发展。而即将发布的PS4理论上很可能将支持4K分辨率的内容，但4K分辨率的视频该怎样传送，通过哪些标准进行支持？这仍然在讨论中。
H.265在安防的绊脚石
既然H.265对整个视频产业的优势既明显又迅速，那为什么H.265没有在安防领域产生大规模的覆盖效果呢？或许专业视频监控提供商，杭州海康威视数字股份有限公司的高级算法经理俞海的一席话能够让我们对这个问题作出回答。
俞经理表示从目前来看，H.265产业的发展与推广，首先可能在专利方面存在风险。据悉，握有H.265重要专利的企业，例如三星、高通以及联发科，目前尚没有表明态度愿意将其专利加入到MPEGLA的专利池中，而是保留各自分别收取专利费的可能性。如果H.265实行分别收费，IT产业链中其他厂家，尤其是与上述企业存在竞争业务的，很可能对该标准的支持谨慎从事，最终影响标准的大规模应用。其次，具体到安防产业，还存在编码芯片成本和网络兼容进程等风险。这两个风险，可能需要安防产业的上下游，例如IC厂商和系统平台集成厂商共同努力尽快完善，以促进新标准的推广。
H.265在安防领域的发展前景，除了上述可能存在的阻碍因素外，还与安防用户类型有关。对于视频监控的用户，可以粗略地划分成行业型和消费型两类：行业型用户如公安、交通、金融和能源等，一般已建或在建专用监控平台，这类用户成本相对不敏感，倾向于专业型的安防设备，对于系统的稳定性较为重视，接受H.265可能需要较长的验证周期。对于消费型的用户，如家庭、小商铺等，系统建设的成本较低，新技术的接受普及可能更快一些。所以，H.265可能会首先在第二类，也就是目前颇受看好的民用市场率先获得应用。
随着网络视频监控的广泛应用，高清视频已经成为市场的主流，然而目前H.264标准在高清视频监控应用中呈现出越来越多的局限性。1080P的视频图像一般需要占用4~10M的带宽，这给网络和系统建设带来了较大的成本压力。带宽、成本、技术等原因都成为制约行业快速向高清化发展的瓶颈。H.265/HEVC标准的成熟，会给视频带来更高的压缩比，降低网络和系统建设成本。根据安防系统建设模型，网络和存储设备通常占据建设投资40%左右。如何最大效率降低网络带宽和存储空间，需要从视频压缩编码入手来解决，采用H.265/HEVC标准的压缩效率可以比H.264提升50%以上，根据估算可能带来的投资节省高达20%！
对于H.265的未来，北京中盛益华科技有限公司顾长海也谈了他的看法，他认为H.265已经在很多的技术上实现了对H.264的全面超越。无论在功能还是性能上，H.265的功能都几乎对前者有着覆盖性的进步，因此如果从这些方面看来，H.265的上位仅仅只是时间的问题。
目前看来，对于H.265/HEVC标准，我们仍需持谨慎乐观态度。但有一点是肯定的：H.265标准在同等的内容和质量上，会显着地减少带宽消耗，有了H.265，高清1080P电视广播和4K视频的网络播放将不再困难，但前提是索尼或者其它媒体巨头能想出办法来传送这些内容。同时，如果移动设备要采用H.265标准，那么其在解码视频时对电量的高消耗也是各大厂商需要解决的问题。
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