H.265在安防行業(yè)應用及價(jià)值分析

　　在過(guò)去的10年里，視頻監控領(lǐng)域的主要視頻壓縮標準是H.264。今天，H.264占據了網(wǎng)絡(luò )視頻碼流的80%左右?，F在的攝像機主流分辨率是720p或1080p等高清級別的，但是幾年前的主流分辨率是VGA級別的。H.264在視頻監控IP化過(guò)程中扮演了重要的角色。

　　但是今天，在視頻監控領(lǐng)域我們仍然面臨著(zhù)諸多挑戰。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(MegaPixel)sensor、全景攝像機、甚至是千萬(wàn)級像素sensor。同時(shí)面臨著(zhù)遠程觀(guān)看這樣的大分辨率視頻而帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò )傳輸壓力，以及碼流的存儲壓力。

　　正是面對這樣的局面，ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG聯(lián)合制定新一代視頻壓縮標準HEVC/H.265。視頻編碼算法標準的制定者們聲稱(chēng)，一個(gè)視頻壓縮標準的使用期一般為10年，即經(jīng)過(guò)10年的使用期，由于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，標準應用的場(chǎng)景和環(huán)境都會(huì )發(fā)生巨大變化，針對新的應用場(chǎng)景和新的應用平臺，需要研發(fā)更高明的算法和更具先進(jìn)性的標準規范。當年MPEG4標準過(guò)渡到H.264，這樣的規律可見(jiàn)一斑。

　　視頻監控的趨勢是高清化(高清、高清+、超高清)、網(wǎng)絡(luò )化、智能化，高清化視頻對傳輸和存儲帶來(lái)很大的壓力，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5MP分辨率的H.265 網(wǎng)絡(luò )攝像機，4Mbps的H.265的碼流解碼效果和8Mbps的H.264圖像效果相當。若智能分析算法和H.265編碼器結合使用，更能進(jìn)一步降低碼率，提升圖像質(zhì)量。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。

　　在高清化的趨勢下，H.264的霸主地位已經(jīng)受到H.265的挑戰?，F實(shí)中雖然有SVAC、MPEG4、MJPEG，甚至微軟的VC-1或者谷歌的VP8，甚至廣電領(lǐng)域的國標AVS，目前來(lái)看，這些視頻壓縮標準的壓縮效率都達不到H.265的同等圖像效果下的壓縮率。雖然H.265的專(zhuān)利授權費用遠遠高于H.264，但是不像廣電領(lǐng)域的節目接受預訂或者互聯(lián)網(wǎng)視頻服務(wù)提供商，視頻監控領(lǐng)域的視頻錄像不會(huì )用于對外提供服務(wù)，因此業(yè)內很多人士預測，H.265仍將在視頻監控領(lǐng)域受到熱捧，在下一個(gè)10年里，H.265將會(huì )取代H.264，成為主流視頻壓縮標準。

　　2015年5月份國家發(fā)展改革委等九部委發(fā)布的《關(guān)于加強公共安全視頻監控建設聯(lián)網(wǎng)應用工作的若干意見(jiàn)》中提高“新建、改建高清攝像機比例達到100%”、“逐步增加高清攝像機的新建、改建數量”，“到2020年，基本實(shí)現全域覆蓋、全網(wǎng)共享、全時(shí)可用、全程可控”。這意味著(zhù)在公共安全領(lǐng)域，新購置的攝像機必將是高清化的攝像機，高清化攝像機尤其適用于H.265壓縮。就像當年的H.264取代MPEG-4壓縮一樣，在一個(gè)視頻監控網(wǎng)絡(luò )中，H.265和H.264兩種壓縮標準并存能夠解決以建攝像機的后向兼容性，但同時(shí)增加了整個(gè)監控網(wǎng)絡(luò )的復雜性和不穩定性。在H.265應用初期，這種情況在所難免。隨著(zhù)時(shí)間推移新的H.265壓縮攝像機替換已到使用年限的H.264攝像機，到時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )必將是全網(wǎng)H.265的高清化視頻，H.265配合高清化視頻的應用必將帶來(lái)整個(gè)視頻監控網(wǎng)絡(luò )方案中的前端、后端、存儲、智能、顯示的顯著(zhù)變化。

　　H.265應用解析

　　視頻監控領(lǐng)域的視頻壓縮，由H.265取代H.264，主要影響的是壓縮模塊產(chǎn)品和解碼模塊產(chǎn)品，即IPC、NVR，以及帶有解碼顯示的平臺軟件。IPC和NVR由于使用碼芯片的ASIC或者硬件加速單元進(jìn)行硬編碼和硬解碼，傳統的H.264編解碼芯片無(wú)法進(jìn)行升級支持H.265。H.265 Version1于2013年4月正式發(fā)布后，雖然有很多公司聲稱(chēng)實(shí)現了H.265的編碼或解碼，但大都是基于CPU或者FPGA實(shí)現，不太適合視頻監控應用。2014年，海思在業(yè)界首次提出基于SOC的IPC+NVR的完整視頻監控解決方案參考設計。當然現在海思的H.265編解碼方案更加豐富，不僅僅支持H.265編碼和解碼，同時(shí)支持4K超高清的H.265編碼和解碼。

　　除了海思，還有其他的比如安霸、高通、SONY、NVIDIA、Intel等公司陸續提出H.265配合4K超高清的編解碼SOC或者CPU+ASIC的編解碼方案?；贖.265的IPC、NVR、平臺等等產(chǎn)品形態(tài)迎來(lái)了蓬勃發(fā)展期。

　　浙江宇視科技有限公司在IPC方面和NVR方面，已經(jīng)形成了基于H.265的系列化產(chǎn)品。比如HIC5421DE-C-U 1080P寬動(dòng)態(tài)槍式網(wǎng)絡(luò )攝像機等1080P系列槍式網(wǎng)絡(luò )攝像機、HIC5631-L-U 300萬(wàn)寬動(dòng)態(tài)槍式網(wǎng)絡(luò )攝像機 、HIC2641-DIR系列 400萬(wàn)紅外定焦筒型網(wǎng)絡(luò )攝像機等4MP系列筒形網(wǎng)絡(luò )攝像機、HIC2621DE-CZIR-U系列 1080P星光級寬動(dòng)態(tài)電動(dòng)變焦筒型網(wǎng)絡(luò )攝像機等1080P系列筒形網(wǎng)絡(luò )攝像機、HIC2601DE-CZIR-U系列720P星光級寬動(dòng)態(tài)電動(dòng)變焦筒型網(wǎng)絡(luò )攝像機等720P系列筒形網(wǎng)絡(luò )攝像機。HIC3641-DIR 400萬(wàn)紅外防暴半球網(wǎng)絡(luò )攝像機等4MP系列半球網(wǎng)絡(luò )攝像機、HIC3621-DIR 1080P星光級寬動(dòng)態(tài)防暴半球網(wǎng)絡(luò )攝像機等1080P系列半球網(wǎng)絡(luò )攝像機、HIC3601-DIR 720P星光級寬動(dòng)態(tài)防暴半球網(wǎng)絡(luò )攝像機等720P系列半球網(wǎng)絡(luò )攝像機;HIC6621HX33-U系列 1080P星光級標準快球網(wǎng)絡(luò )攝像機等1080P系列標準球形網(wǎng)絡(luò )攝像機、HIC6632X33-5CIR-U 300萬(wàn)紅外球型網(wǎng)絡(luò )攝像機等300萬(wàn)系列、1080P系列紅外球形網(wǎng)絡(luò )攝像機、HIC1631DX33-C-U 300萬(wàn)寬動(dòng)態(tài)一體化網(wǎng)絡(luò )攝像機、HIC1621HX22-C-U 1080P星光級一體化網(wǎng)絡(luò )攝像機、HIC7631X33-C-U 300萬(wàn)寬動(dòng)態(tài)云臺一體化網(wǎng)絡(luò )攝像機、HIC7621HX22-C-U 1080P星光級云臺一體化網(wǎng)絡(luò )攝像機。

　　浙江宇視科技有限公司在NVR方面，也已經(jīng)形成了基于H.265的系列化產(chǎn)品，NVR301-04E系列的1盤(pán)位 4路/8路/16路 1080P接入 NVR、NVR304系列的4盤(pán)位的16路/32路1080P接入NVR、NVR304EP系列的4盤(pán)位16路/32路1080P接入PoE NVR。這些NVR都還支持4K超高清的解碼，并且支持4K超高清的HDMI輸出。其中NVR304系列和NVR304EP系列甚至支持4K超高清的60fps的顯示輸出。

　　H.265價(jià)值的進(jìn)一步挖掘

　　除了高清化的趨勢和智能化趨勢，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。

　　H.265編碼與智能結合

　　從目前的應用情況來(lái)看，智能分析和H.265壓縮兩者還是割裂的，視頻序列和圖片的智能分析結果沒(méi)有有機的和H.265的幀內壓縮和幀間壓縮融合起來(lái)。比如海思的Hi3516A編碼SOC，分別提供了ISP單元、智能分析單元IVE2.0、H.265編碼單元，但好像并沒(méi)有很好的融合，假若在H.265編碼單元中充分利用背景建模、光流分析、移動(dòng)偵測、等智能分析單元的分析結果，理解場(chǎng)景中的背景區域和前景區域，以及場(chǎng)景中的亮區、暗區、多紋理區域，等等這些智能分析結果和H.265的編碼單元模塊算法有機結合，可以在現有基礎上進(jìn)一步降低碼率，提升編碼效率。

　　HDR可擴展與WCG可擴展

　　與圖像質(zhì)量有關(guān)的因素是分辨率、幀率、色域、動(dòng)態(tài)范圍和量化精度。而與這幾項因素提升帶來(lái)圖像質(zhì)量提升的帶來(lái)的便是超高清UHD。

　　高清到超高清，僅僅是分辨率和清晰度的提升，幀率的增加也帶來(lái)運動(dòng)連貫性的提升。分辨率由2MP，3MP、4MP、8MP、甚至千萬(wàn)像素，幀率由25fps到30fps、60fps，這些H.265編碼和解碼芯片都已經(jīng)大部分支持，因為這兩項僅僅涉及到單純的編解碼性能的提升。H.265的Main Profile @Level5或者@Level5.1即可滿(mǎn)足這兩項。

　　但是對超高清來(lái)說(shuō)，寬色域(WCG，Wide Color Gamut)和高動(dòng)態(tài)(High Dynamic Range，HDR)。所謂動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic Range)籠統的說(shuō)是一個(gè)可變信號的最大值和最小值之間的比值。對視頻采集或者視頻顯示設備來(lái)說(shuō)，其動(dòng)態(tài)范圍基本上可以表達為最亮處與最暗處之間的過(guò)度范圍。

　　標清時(shí)代的動(dòng)態(tài)范圍1000:1，相當于10檔光圈寬容度，高清時(shí)代也是如此。高清的采集、顯示系統的寬容度為1000:1，10檔光圈，動(dòng)態(tài)范圍的幅度仍然停留在和標清一樣的10 ^-2 ~10 ² 尼特。人眼在瞳孔可調節的情況下，對光線(xiàn)可接受的動(dòng)態(tài)范圍則搞到10 ^-6 ~10 ¹⁴ 尼特。傳統的動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)限制了人眼觀(guān)看圖像的主觀(guān)感受，于是促使了HDR標準出現。HDR的目標是把整個(gè)系統的寬容度提高兩個(gè)數量級達到100,000:1，相當于從10檔光圈提高到16.7檔，達到與人眼瞳孔無(wú)調節時(shí)相當的程度。

　　現在國際上對HDR并沒(méi)有一個(gè)統一的規范標準，而是存在兩個(gè)標準。一種是杜比公司建議的PQ(Perceptual Quantizer，感應量化編碼曲線(xiàn))，已經(jīng)成為SMPTE ST2084標準，另一種是NHK與BBC建議的HLG(Hybrid Log-Gamma)，正在申請成為ITU-R標準。這兩種標準都向下兼容SDR。

　　色域(Color Gamut)，即顏色空間，描述了可表示的顏色范圍，比如人眼可以感知的顏色空間，或者一個(gè)sensor或者一個(gè)現實(shí)設備所支持的顏色空間。標清的色域由ITU-R BT.601定義，高清的色域由ITU-R BT.709定義。隨著(zhù)新的顯示技術(shù)(OLED和量子點(diǎn)技術(shù))以及UHDTV的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界意識到有必要包含在BT.709之外的顏色，大于BT.709的色域從稱(chēng)為寬色域WCG(Wide Color Gamut)。寬色域包括ITU-R BT.2020和Digital Cinema Initiatives (DCI) ‘P3’。

　　HDR和WCG不僅僅在光電行業(yè)，在視頻監控行業(yè)也很迫切，尤其的對夜間場(chǎng)景和強光下場(chǎng)景，現有的高清標準無(wú)法看清星光級甚至月光級的細節。故必須對整個(gè)視頻監控系統從采集、編碼、傳輸、解碼、顯示各個(gè)環(huán)節支持HDR和WCG才能夠還原真實(shí)世界中的細節。

　　雖然4K/8K超高清更適合用H.265進(jìn)行壓縮，但是目前來(lái)看，視頻監控領(lǐng)域的4K攝像機占有率遠遠低于1080P或者3MP攝像機的市場(chǎng)占有率。所以H.265首先會(huì )在高清和高清+的視頻領(lǐng)域進(jìn)行應用。同時(shí)這也給H.265預留出更多的空間進(jìn)行標準的優(yōu)化、H.265編碼器的優(yōu)化，以進(jìn)一步降低計算復雜度、提升壓縮效率。這樣的優(yōu)化工作需要通過(guò)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈(即：標準制定+芯片設計+攝像機制造+碼流服務(wù))來(lái)完成，而不能僅僅依賴(lài)視頻監控工業(yè)獨立完成。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳輸基礎設施的不斷完善，以及支持4K超高清的顯示大屏和顯示監視器等設備的不斷完善，H.265編解碼，會(huì )比H.264接受的更快、更廣!