百家爭鳴

　　隨著各種超高清技術的發(fā)展，隨之而來的海量監(jiān)控數(shù)據(jù)不斷地為傳輸、存儲帶來巨大的壓力，在我們?yōu)檫@種困境感覺苦惱的時候，剛剛過去的北京展上出現(xiàn)的各種H.265、SVAC等采用效率更高編解碼技術的產(chǎn)品不由得讓我們眼前一亮。想必大家在網(wǎng)上看電影、視頻的時候都有注意到很多視頻都是不同格式的，比如有的是MP4格式，有的是MKV、MOV、HD、BD以及一部影片上映之后總能先于其他格式出現(xiàn)但畫質卻差強人意的TS版視頻等等。娛樂影音領域的視音頻編解碼標準已經(jīng)有了這么多，安防領域即便少也不會差太多，不得不承認，目前的視音頻編解碼市場可謂是百家爭鳴。

　　安防領域，現(xiàn)有的主流視音頻編解碼標準共有四種類型，第一類型為ISO/IEC MPEG制定的MPEG系列標準，該系列主要有以下五個標準：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7以及MPEG-21等;第二類型為ITU-T VCEG制定的H.26x系列編碼器，其中包括H.261、H.262、H.263、H.264、H.265，其中H.262、H.264、H.265是和ISO/IEC MPEG聯(lián)合制定的標準，H.262即MPEG-2的第二部分，H.264即MPEG-4第十部分，H.265即MPEG-H第二部分;第三類型就是我們國家制定的國家標準，主要有AVS、SVAC、AVS2。AVS和AVS2是我國完全自主知識產(chǎn)權的視頻壓縮標準，AVS是和AVC/H.264同等級別的視頻標準，AVS2是和HEVC/H.265同等級別視頻標準，SVAC是由公安部一所和中星微主導制定的視頻編碼標準;第四類型則為企業(yè)級標準，包括微軟的WMV，即VC-1，在微軟的努力下成為SMPTE 421M國際標準，還有谷歌的VP8、VP9開源視頻壓縮標準、BBC開發(fā)的開源Dirac視頻壓縮標準、Mozilla和Xiph.Org基金會開發(fā)的開源Daala視頻壓縮標準等等。

　　那么在這眾多的編解碼標準中，究竟誰能夠脫穎而出成為萬千寵愛于一身的那一個?是為CD建立視音頻標準的MPEG系列中的一個，還是已經(jīng)發(fā)布十年之久卻依然占據(jù)著絕大部分市場的H.26x系列之中的AVC/H.264，抑或是今年北京展上大放光彩的業(yè)界新星HEVC /H.265，再或者是旨在解決安全防范監(jiān)控行業(yè)獨特要求的SVAC?接下來就讓我們了解一下它們的關鍵技術以及它們各自的優(yōu)劣勢。

　　編解碼標準的關鍵技術

　　浙江宇視科技有限公司規(guī)劃與系統(tǒng)部(以下簡稱為“宇視規(guī)劃與系統(tǒng)部”)認為不論視頻還是圖片，現(xiàn)有的壓縮標準，都是基于如圖1所示的混合結構。壓縮算法都是以圖像塊為基本單位，即把圖像按照從上到下，從左到右的光柵掃描順序對圖像進行劃分成塊。圖像塊進行幀內預測或/和幀間預測，得到預測殘差進行2D變換，對殘差信號在頻域進行分離，依據(jù)人眼對空間高頻分量信號不敏感的特性，通過2D量化，有選擇性地去除高頻分量，實現(xiàn)壓縮。量化后的頻率分量一維化后，進一步使用熵理論進行壓縮。

圖1 混合結構

圖2各種視頻壓縮標準壓縮效率對比

表1   HEVC圖片壓縮標準對比（基于PSNR和MOS）
 

　　對圖片壓縮來說，只能利用空間相關性使用幀內預測算法去除空間冗余達到壓縮目的。對視頻來講，還可以利用前后幀的時間相關性使用幀間預測算法去除時間冗余達到壓縮目的。

　　但是不同的圖片視頻壓縮標準，其中采用了各種大量算法，按照技術發(fā)展歷程，年代越新的，其采用的壓縮算法越先進，壓縮效率越高。高效壓縮算法的一個代價就是計算量的增加。比如就視頻壓縮效率而言，MPEG-4 第二部分肯定高于MPEG-2 第二部分，MPEG-4 第十部分 AVC/H.264肯定高于MPEG-2 第二部分，MPEG-H 第二部分 HEVC/H.265肯定高于MPEG-4 第十部分 AVC/H.264，如圖2所示。從圖片壓縮效率來看，MPEG-H 第二部分 HEVC/H.265的各種色度格式Still Picture Profile肯定高于JPEG和JPEG2000，如表1所示。

　　杭州?？低晹?shù)字技術股份有限公司(以下簡稱為“?？低?rdquo;)的武曉陽介紹道，現(xiàn)在業(yè)界使用的視頻編解碼標準都采用相同的編碼框架，先把圖像分成大小相等的編碼單元(H.264及之前標準成為宏塊MB，H.265成為編碼塊CU)，然后對編碼單元進行預測編碼、變換編碼、以及熵編碼等多種混合編碼策略。正因為如此，該編碼框架成為基于塊的混合編碼框架。

　　各標準之所以不同，而且編碼性能差別很大，其原因在于每個標準對框架中不同模塊的實現(xiàn)細節(jié)不同。H.264相對之前標準，關鍵技術包括適合分包傳輸?shù)腘AL結構，空域方向性幀內預測，不同分塊大小(從16×16到4×4)的幀間預測、1/4像素的運動補償、環(huán)路濾波、自適應熵編碼等等。而H.265則進一步發(fā)展，提出了可調節(jié)編碼單元(CU最大到64×64)，更靈活的幀內預測模式，豐富的運動補償塊、變換塊劃分，增加了樣本自適應補償SAO技術，提供了TILE、WPP等支持并行處理機制。

　　呈現(xiàn)最佳畫質，是視頻監(jiān)控業(yè)者矢志不渝的追求，然而在高清、超高清技術發(fā)展的過程中，帶寬占用一直影響著高清、超高清技術的普及度。四川艾普視達數(shù)碼科技有限公司(以下簡稱為“艾普視達”)的范清華告訴我們，理論上來說，編碼技術的改進都是期望提升編解碼效率，降低功耗和發(fā)熱，最大限度減少數(shù)據(jù)壓縮對視頻質量的影響，這是基本的需求，從用戶角度來看，就是要盡量降低實時視頻流的帶寬(碼率)和延遲，圖像細節(jié)和還原要好，特別是在低照度等極端環(huán)境條件下要求碼率低，噪點低。由此看來，如何在保證視頻畫質的情況下提升編解碼效率則是編解碼技術改進的共同目標，因而如何改進和提升壓縮算法便成為了關鍵。

　　優(yōu)中選優(yōu)

　　世界上沒有完全相同的兩片葉子，即便是雙胞胎也有著區(qū)別于另外一個而只屬于自己的特點，更何況不同的編解碼技術，下面我們就來簡單的聊一聊目前市場上比較主流的編解碼技術其各自的特點。

　　提到主流編解碼技術，我們首先想到的必然是已經(jīng)發(fā)布十年之久卻依然占據(jù)著絕大部分市場的AVC/H.264。對于H.264而言，首先它擁有著更高的編碼效率，和MPEG-2、MPEG-4等壓縮技術相比，在同等圖像質量下，采用H.264技術壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3，而同H.263等標準的編碼效率相比，其平均也能節(jié)省大于50%的碼率;其次，H.264能夠在低碼率的情況下提供高質量的視頻圖像，在較低的帶寬上提供高質量的圖像傳輸是H.264的應用亮點;H.264還具有更強的網(wǎng)絡適應性，它提供了網(wǎng)絡抽象層(Network Abstraction Layer)，使得H.264的文件能容易地在不同的網(wǎng)絡上傳輸(例如互聯(lián)網(wǎng)、CDMA、GPRS、WCDMA、CDMA2000等)，同時，它也可以工作在實時通信應用(如視頻會議)低延遲模式下，甚至是沒有延遲的視頻存儲或視頻流服務器中;另外，H.264采用了DCT變換編碼加DPCM差分編碼的混合編碼結構，還增加了多模式運動估計、幀內預測、多幀預測、基于內容的變長編碼、4×4二維整數(shù)變換等新的編碼方式，提高了編碼效率;H.264還具有編碼選項較少、可應用在不同場合、錯誤恢復功能以及較高的復雜度等特點，據(jù)估計，H.264編碼的計算復雜度大約相當于H.263的3倍，解碼復雜度相當于H.263的2倍。

　　對于H.264的升級版及今年北京展上的當紅新星HEVC/H.265而言，其編碼架構大致上和AVC/H.264的架構相似，主要也包含幀內預測、幀間預測、轉換、量化、去區(qū)塊濾波器、熵編碼等模塊，但在H.265的編碼架構中，整體被分為了三個基本單位，分別是編碼單位、預測單位和轉換單位。H.265還提供了更多不同的工具來降低碼率，以編碼單位來說，H.264中每個宏塊大小都是固定的16×16像素，而H.265的編碼單位可以選擇從最小的8×8到最大的64×64。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。有關數(shù)據(jù)顯示，相同圖像質量下，相比于H.264，通過H.265編碼的視頻大小可減少大約39-44%;而在碼率減少51-74%的情況下，由H.265編碼的視頻的質量還能與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。

　　北京瑞普圖視科技有限責任公司(以下簡稱為“瑞普圖視”)技術顧問孫俊認為，H.265雖然比H.264更加復雜，但是帶寬上節(jié)省了一倍，這一點對于著重用戶體驗的廠商來說是非常具有吸引力的，因為一來節(jié)省成本，二來用戶體驗也更好。對安防來說，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)應用的普及，以后大家會隨時隨地在移動終端上查看安防監(jiān)控的視頻，這種情況下帶寬就是個核心的因素，因為手機上用的是共享網(wǎng)絡，帶寬限制是很嚴重的，因此“隨時隨地”的要求再使用原有的MPEG-2和H.264是無法支持的。因此安防如果想要進一步升級換代、進一步的提升它的競爭力或者對整個國家、整個世界的影響力的話，它必然要向移動方向轉移，那么H.265作為新標準，在這種受限的環(huán)境下對安防行業(yè)是具有決定意義的;另外，安防因其24小時不間斷的監(jiān)控和存儲，它需要的存儲空間比我們通常的視頻存儲更多，因而對于安防來說，存儲也占據(jù)著大量的成本，而H.265將視頻存儲所占空間也降了一半，那么成本也將下降一半，因此H.265對于安防領域的意義也是很大的。

　　當然，聊了國際標準之后，又怎能忘記中國特色的國內標準呢?AVS的特點很明顯，它是由我國牽頭制定的、技術先進的第二代信源編碼標準，我國對其具有自主的知識產(chǎn)權。另外，AVS是按照國際通用方式實現(xiàn)的，因而它在國際上的認可度較高一些。而SVAC是第一個旨在解決安全防范監(jiān)控行業(yè)獨特要求的技術標準，對確立中國公安和犯罪預防體系來說特別重要。千目聚云數(shù)碼科技(上海)有限公司(以下簡稱為“千目聚云”)CEO汪人瑞介紹說，目前存在的很多編解碼標準都只注重編碼的效率，對于碼流的可信度和可管理度方面并沒有明確的要求，然而這些對于安防而言非常重要，SVAC則填補了這方面在安防領域里的空白。在公安部接觸到的各省各市平安城市項目中，碼流的可信度和設備的可管理度問題是他們遇到的最大的問題，這是他們發(fā)展SVAC的初衷，千目聚云和公安部第一研究所的戰(zhàn)略合作關系使得千目發(fā)現(xiàn)這一市場需求，也因此推出一系列SVAC產(chǎn)品。

　　誰是脫穎而出的那一個?

　　當然，事物都具有兩面性，有優(yōu)勢自然也少不了劣勢。比如隨著壓縮效率的提高，其要求的計算復雜度也變高，相應的對計算硬件的要求會變高，成本也越高。SVAC標準推行過程中主要面臨的問題是產(chǎn)業(yè)鏈上的很多廠家觀望情緒嚴重，參與熱情不高，從而導致符合SVAC標準的相關產(chǎn)品供應商偏少。另外部分用戶并不清楚SVAC標準可以解決現(xiàn)在安防系統(tǒng)應用中的很多難題，帶來應用方式的巨大變革和突破，選用SVAC產(chǎn)品的意愿不強烈。Google主導的VP8，壓縮率很高，畫質也不錯，但是支持的解碼器比較少，配套的解決方案不完善，生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定，可替代性不強，開發(fā)難度大，從而使得下游廠商投入的研發(fā)成本會很高。艾普視達的范清華認為H.265壓縮率是比較高的，但所付出的代價是壓縮和解碼時間的增加，功耗和系統(tǒng)資源的增加，這就需要評估在實際應用中用更大的代價來換取壓縮率是否值得。從目前來看，H.264仍然是最具性價比的編碼方案。

　　不過，小編在采訪過程中發(fā)現(xiàn)，雖然目前市場上H.265的產(chǎn)品并不多，但是看好H.265的人卻不少。瑞普圖視技術顧問孫俊認為HEVC/H.265將會成為主流，一是因其壓縮效率高，二是因其兼容性高，國內外產(chǎn)業(yè)界認可度高。他認為從現(xiàn)在開始，未來十年H.265將會占據(jù)視頻編碼領域80%的市場。宇視規(guī)劃與系統(tǒng)部表示，由于MPEG和VCEG聯(lián)合制定的視頻壓縮標準MPEG-2第二部分H.262和MPEG-4第十部分AVC/H.264在全球范圍內具有廣泛的基礎，以及其中當時時期所達到的最高壓縮效率，因而獲得了廣泛應用。比如使用谷歌搜索H.264,搜索結果為22,400,000條結果，搜索H.265，搜索結果達到375,000,000條結果，由此可見H.265在國際范圍內的熱度，尤其是海思Hi3516A和Hi3536芯片的推出，H.265在監(jiān)控行業(yè)廣泛應用大門已經(jīng)開啟!艾普視達的范清華也認為，在2015年，H.265將會很快興起，在300萬像素以上超高清視頻領域內獨領風騷。