前言
前端攝像機分辨率從最初的CIF，一直發展到現在的4K，存儲和帶寬成本也在持續攀升。高清，我所欲也，低成本，亦我所欲也；二者能否兼得？在我們思考如何有效降低存儲成本的同時，將不得不面對一個兩難的抉擇，是要圖像質量還是數據量？顯而易見，當我們追求圖像質量時，必須增加數據量。當我們想降低數量時，必須犧牲圖像質量。那么，如何打破這個僵局？唯一有效的途徑，就是提升編碼效率。
H.265，超高清的好伴侶
視頻編碼技術在視頻監控技術體系中的地位不亞于材料科學在航空技術體系中的地位，它是一門基礎學科。這意味著兩件事，第一，它的進展非常緩慢；第二，如果取得進展，那么將會帶來革命性的變化。
2003年，海康威視首次將H.264引入視頻監控應用，至今已經超過十年。H.264的編碼效率潛力已經挖掘殆盡。今天我們必須用新的思路或新的技術來突破這個天花板。而國際標準的H.265方案是一種整體升級的方案，必須更換前后端硬件產品才能實現。H.265相對于前面幾代編碼算法來說，在編碼效率上有著質的提升，同樣圖像質量下，H.265的碼率只有H.264的一半，是H.264當之無愧的“繼承者”。因此，H.265一定是未來超高清時代的主流編碼算法，是一種“一步到位”的解決方案。
而基于國際標準的H.265算法，各個廠家可以運用一些自主專利算法，進一步降低碼率。比如海康威視自主研發的編解碼應用技術Smart 265就是一項比H.265效率更高的編碼技術，相比較H.265，在運動目標不多的場景，例如像室內茶水間、樓梯間等場景下，Smart 265可以降低70%左右的碼率；在運動目標部分時間較多，比如不太繁忙的道路上，碼率可以降低50%倍以上；而如果場景中不斷有目標大幅運動，像火車站等場景下，也會比原有的H.265效果要好。
圖2 不同場景下1080P攝像機碼率對比（H.265 VS Smart 265）
圖3 同一場景下不同編碼方式1080p攝像機錄像文件大小實測比較
如果把Smart 265技術運用在最新的H.265 4K超高清設備上，超高清的碼率將得到大幅度的降低，超高清的帶寬和存儲成本也會更低。
H.265，下一代主流編碼
那么，從技術原理上來看，H.265相比較H.264到底有哪些技術上的優勢，使其成為超高清時代的主流編碼方式呢？
H.264中每個宏塊(marcoblock，MB)大小都是固定的16x16像素。然而，在更高分辨率下，單個宏塊所表示的圖像內容信息大大減少，H.264所采用的宏塊經過整數變換后，低頻系數相似程度也大大提高，出現大量冗余，導致H.264編碼對高清視頻的壓縮效率明顯降低；其次，H.264算法宏塊個數的爆發式增長，會導致每個編碼宏塊的預測模式、運動矢量、參考幀索引和量化級等宏塊級參數信息占用更多碼流資源，在有限帶寬中，分配給真正描述圖像內容的殘差系數信息的可用帶寬明顯減少了；再有，由于分辨率的提高，表示同一個運動的運動矢量幅值也將大大增加，H.264編碼方式的特點是數值越大使用的比特數越多，因此，隨著運動矢量幅值的大幅增加，H.264中用來對運動矢量進行預測以及編碼的壓縮率也將逐漸降低。
相比H.264，H.265提供了更多不同的工具來降低碼率。H.265的編碼單位可以選擇從最小的8x8到最大的64x64。信息量不多的區域(顏色變化不明顯，比如天空的灰色部分)劃分的宏塊較大，編碼后的碼字較少，而細節多的地方(細節變化較多，比如大樓部分)劃分的宏塊就相應的小和多一些，編碼后的碼字較多，這樣就相當于對圖像進行了有重點的編碼，從而降低了整體的碼率，編碼效率就相應提高了。這個過程有點像“感興趣區域編碼”，針對重要的更多關鍵細節的部分進行增強劃塊，無更多關鍵細節的部分進行簡單劃塊，但是這個過程在H.265上可以自適應識別實現。
圖4H.264編碼分開示意圖 圖5H.265編碼分開示意圖
總結發現，H.265和H.264主要的技術區別如下：
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分類 |
H.264 |
H.265 |
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編碼分塊大小范圍 |
4x4 ~ 16x16 |
8x8 ~ 64x64 |
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Intra幀內預測模式 |
最多9種預測模式 |
最多36種預測模式 |
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Inter幀間插值模式 |
1/2像素6TAP, 1/4像素2TAP |
分像素8TAP |
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MVP預測方式 |
空域預測 |
空域和時域預測 |
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變換 |
4x4 ~ 8x8 |
4x4 ~ 32x32 |
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新技術 |
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SAO功能 |
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并行化設計 |
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Tile, WPP等 |
可以看到，H.265相比H.264最主要的改變是采用了塊的四叉樹劃分結構，采用了從64x64~8x8像素的自適應塊劃分，并基于這種塊劃分結構采用一系列自適應的預測和變換等編碼技術。除此之外，還引入了全新的SAO(Sample Adaptive Offset)技術，SAO是一種參考幀補償技術，從而提高幀間預測的準確度。同時，在并行實現方面，H.265也采用了WPP (Wavefront Parallel Processing)和Tile技術，能夠充分發揮當前主流處理器的多核并行能力。這些新技術的應用，不但有效地提高壓縮性能，也為各種處理器平臺的有效實現擴展了空間。
H.265，配套產品需齊全
從表面上看，H.265確實解決了超高清產品的存儲和帶寬的成本問題，但要想真正將這套系統應用起來，各廠家就必須要給用戶提供一站式的超高清&H.265產品解決方案。即從最前端的支持H.265編碼的超高清攝像機，到可以存儲H.265編碼的NVR/CVR，能夠解碼H.265的解碼器/視頻綜合平臺，以及能夠接入H.265視頻流的中心平臺軟件。只有這樣，超高清和H.265才能真正結合，真正得到項目的實際應用。
結語
高清，我所欲也，低成本，亦我所欲也，當超高清遇見H.265，魚與熊掌可以兼得。因此，我們有理由相信，H.265必然會成為超高清時代的主流編碼方式。
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