百家爭(zhēng)鳴

　　隨著各種超高清技術(shù)的發(fā)展，隨之而來的海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不斷地為傳輸、存儲(chǔ)帶來巨大的壓力，在我們?yōu)檫@種困境感覺苦惱的時(shí)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(shù)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(shí)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(zhì)卻差強(qiáng)人意的TS版視頻等等。娛樂影音領(lǐng)域的視音頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有了這么多，安防領(lǐng)域即便少也不會(huì)差太多，不得不承認(rèn)，目前的視音頻編解碼市場(chǎng)可謂是百家爭(zhēng)鳴。

　　安防領(lǐng)域，現(xiàn)有的主流視音頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)共有四種類型，第一類型為ISO/IEC MPEG制定的MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)，該系列主要有以下五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)準(zhǔn)，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(guó)家制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主要有AVS、SVAC、AVS2。AVS和AVS2是我國(guó)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，AVS是和AVC/H.264同等級(jí)別的視頻標(biāo)準(zhǔn)，AVS2是和HEVC/H.265同等級(jí)別視頻標(biāo)準(zhǔn)，SVAC是由公安部一所和中星微主導(dǎo)制定的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn);第四類型則為企業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，包括微軟的WMV，即VC-1，在微軟的努力下成為SMPTE 421M國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，還有谷歌的VP8、VP9開源視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)、BBC開發(fā)的開源Dirac視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)、Mozilla和Xiph.Org基金會(huì)開發(fā)的開源Daala視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)等等。

　　那么在這眾多的編解碼標(biāo)準(zhǔn)中，究竟誰能夠脫穎而出成為萬千寵愛于一身的那一個(gè)?是為CD建立視音頻標(biāo)準(zhǔn)的MPEG系列中的一個(gè)，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(chǎng)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(dú)特要求的SVAC?接下來就讓我們了解一下它們的關(guān)鍵技術(shù)以及它們各自的優(yōu)劣勢(shì)。

　　編解碼標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)

　　浙江宇視科技有限公司規(guī)劃與系統(tǒng)部(以下簡(jiǎn)稱為“宇視規(guī)劃與系統(tǒng)部”)認(rèn)為不論視頻還是圖片，現(xiàn)有的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，都是基于如圖1所示的混合結(jié)構(gòu)。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?qū)D像進(jìn)行劃分成塊。圖像塊進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)或/和幀間預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)殘差進(jìn)行2D變換，對(duì)殘差信號(hào)在頻域進(jìn)行分離，依據(jù)人眼對(duì)空間高頻分量信號(hào)不敏感的特性，通過2D量化，有選擇性地去除高頻分量，實(shí)現(xiàn)壓縮。量化后的頻率分量一維化后，進(jìn)一步使用熵理論進(jìn)行壓縮。

圖1 混合結(jié)構(gòu)

圖2各種視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)壓縮效率對(duì)比

表1   HEVC圖片壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比（基于PSNR和MOS）
 

　　對(duì)圖片壓縮來說，只能利用空間相關(guān)性使用幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法去除空間冗余達(dá)到壓縮目的。對(duì)視頻來講，還可以利用前后幀的時(shí)間相關(guān)性使用幀間預(yù)測(cè)算法去除時(shí)間冗余達(dá)到壓縮目的。

　　但是不同的圖片視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其中采用了各種大量算法，按照技術(shù)發(fā)展歷程，年代越新的，其采用的壓縮算法越先進(jìn)，壓縮效率越高。高效壓縮算法的一個(gè)代價(jià)就是計(jì)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(shù)股份有限公司(以下簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)成為宏塊MB，H.265成為編碼塊CU)，然后對(duì)編碼單元進(jìn)行預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、以及熵編碼等多種混合編碼策略。正因?yàn)槿绱耍摼幋a框架成為基于塊的混合編碼框架。

　　各標(biāo)準(zhǔn)之所以不同，而且編碼性能差別很大，其原因在于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)框架中不同模塊的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不同。H.264相對(duì)之前標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)鍵技術(shù)包括適合分包傳輸?shù)腘AL結(jié)構(gòu)，空域方向性幀內(nèi)預(yù)測(cè)，不同分塊大小(從16×16到4×4)的幀間預(yù)測(cè)、1/4像素的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、環(huán)路濾波、自適應(yīng)熵編碼等等。而H.265則進(jìn)一步發(fā)展，提出了可調(diào)節(jié)編碼單元(CU最大到64×64)，更靈活的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，豐富的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊、變換塊劃分，增加了樣本自適應(yīng)補(bǔ)償SAO技術(shù)，提供了TILE、WPP等支持并行處理機(jī)制。

　　呈現(xiàn)最佳畫質(zhì)，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(shù)發(fā)展的過程中，帶寬占用一直影響著高清、超高清技術(shù)的普及度。四川艾普視達(dá)數(shù)碼科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱為“艾普視達(dá)”)的范清華告訴我們，理論上來說，編碼技術(shù)的改進(jìn)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(duì)視頻質(zhì)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(shí)時(shí)視頻流的帶寬(碼率)和延遲，圖像細(xì)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(diǎn)低。由此看來，如何在保證視頻畫質(zhì)的情況下提升編解碼效率則是編解碼技術(shù)改進(jìn)的共同目標(biāo)，因而如何改進(jìn)和提升壓縮算法便成為了關(guān)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(gè)而只屬于自己的特點(diǎn)，更何況不同的編解碼技術(shù)，下面我們就來簡(jiǎn)單的聊一聊目前市場(chǎng)上比較主流的編解碼技術(shù)其各自的特點(diǎn)。

　　提到主流編解碼技術(shù)，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(chǎng)的AVC/H.264。對(duì)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(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量的視頻圖像，在較低的帶寬上提供高質(zhì)量的圖像傳輸是H.264的應(yīng)用亮點(diǎn);H.264還具有更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，它提供了網(wǎng)絡(luò)抽象層(Network Abstraction Layer)，使得H.264的文件能容易地在不同的網(wǎng)絡(luò)上傳輸(例如互聯(lián)網(wǎng)、CDMA、GPRS、WCDMA、CDMA2000等)，同時(shí)，它也可以工作在實(shí)時(shí)通信應(yīng)用(如視頻會(huì)議)低延遲模式下，甚至是沒有延遲的視頻存儲(chǔ)或視頻流服務(wù)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(jié)構(gòu)，還增加了多模式運(yùn)動(dòng)估計(jì)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、多幀預(yù)測(cè)、基于內(nèi)容的變長(zhǎng)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(xiàng)較少、可應(yīng)用在不同場(chǎng)合、錯(cuò)誤恢復(fù)功能以及較高的復(fù)雜度等特點(diǎn)，據(jù)估計(jì)，H.264編碼的計(jì)算復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的3倍，解碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.263的2倍。

　　對(duì)于H.264的升級(jí)版及今年北京展上的當(dāng)紅新星HEVC/H.265而言，其編碼架構(gòu)大致上和AVC/H.264的架構(gòu)相似，主要也包含幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、轉(zhuǎn)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(gòu)中，整體被分為了三個(gè)基本單位，分別是編碼單位、預(yù)測(cè)單位和轉(zhuǎn)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(gè)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(shí)，H.265的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式支持33種方向(H.264只支持8種)，并且提供了更好的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理和矢量預(yù)測(cè)方法。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，相同圖像質(zhì)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(zhì)量還能與H.264編碼視頻近似甚至更好，其本質(zhì)上說是比預(yù)期的信噪比(PSNR)要好。

　　北京瑞普?qǐng)D視科技有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱為“瑞普?qǐng)D視”)技術(shù)顧問孫俊認(rèn)為，H.265雖然比H.264更加復(fù)雜，但是帶寬上節(jié)省了一倍，這一點(diǎn)對(duì)于著重用戶體驗(yàn)的廠商來說是非常具有吸引力的，因?yàn)橐粊砉?jié)省成本，二來用戶體驗(yàn)也更好。對(duì)安防來說，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及，以后大家會(huì)隨時(shí)隨地在移動(dòng)終端上查看安防監(jiān)控的視頻，這種情況下帶寬就是個(gè)核心的因素，因?yàn)槭謾C(jī)上用的是共享網(wǎng)絡(luò)，帶寬限制是很嚴(yán)重的，因此“隨時(shí)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(jìn)一步升級(jí)換代、進(jìn)一步的提升它的競(jìng)爭(zhēng)力或者對(duì)整個(gè)國(guó)家、整個(gè)世界的影響力的話，它必然要向移動(dòng)方向轉(zhuǎn)移，那么H.265作為新標(biāo)準(zhǔn)，在這種受限的環(huán)境下對(duì)安防行業(yè)是具有決定意義的;另外，安防因其24小時(shí)不間斷的監(jiān)控和存儲(chǔ)，它需要的存儲(chǔ)空間比我們通常的視頻存儲(chǔ)更多，因而對(duì)于安防來說，存儲(chǔ)也占據(jù)著大量的成本，而H.265將視頻存儲(chǔ)所占空間也降了一半，那么成本也將下降一半，因此H.265對(duì)于安防領(lǐng)域的意義也是很大的。

　　當(dāng)然，聊了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之后，又怎能忘記中國(guó)特色的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)呢?AVS的特點(diǎn)很明顯，它是由我國(guó)牽頭制定的、技術(shù)先進(jìn)的第二代信源編碼標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)對(duì)其具有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。另外，AVS是按照國(guó)際通用方式實(shí)現(xiàn)的，因而它在國(guó)際上的認(rèn)可度較高一些。而SVAC是第一個(gè)旨在解決安全防范監(jiān)控行業(yè)獨(dú)特要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)確立中國(guó)公安和犯罪預(yù)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(jiǎn)稱為“千目聚云”)CEO汪人瑞介紹說，目前存在的很多編解碼標(biāo)準(zhǔn)都只注重編碼的效率，對(duì)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(duì)于安防而言非常重要，SVAC則填補(bǔ)了這方面在安防領(lǐng)域里的空白。在公安部接觸到的各省各市平安城市項(xiàng)目中，碼流的可信度和設(shè)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(guān)系使得千目發(fā)現(xiàn)這一市場(chǎng)需求，也因此推出一系列SVAC產(chǎn)品。

　　誰是脫穎而出的那一個(gè)?

　　當(dāng)然，事物都具有兩面性，有優(yōu)勢(shì)自然也少不了劣勢(shì)。比如隨著壓縮效率的提高，其要求的計(jì)算復(fù)雜度也變高，相應(yīng)的對(duì)計(jì)算硬件的要求會(huì)變高，成本也越高。SVAC標(biāo)準(zhǔn)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(yán)重，參與熱情不高，從而導(dǎo)致符合SVAC標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)產(chǎn)品供應(yīng)商偏少。另外部分用戶并不清楚SVAC標(biāo)準(zhǔn)可以解決現(xiàn)在安防系統(tǒng)應(yīng)用中的很多難題，帶來應(yīng)用方式的巨大變革和突破，選用SVAC產(chǎn)品的意愿不強(qiáng)烈。Google主導(dǎo)的VP8，壓縮率很高，畫質(zhì)也不錯(cuò)，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(qiáng)，開發(fā)難度大，從而使得下游廠商投入的研發(fā)成本會(huì)很高。艾普視達(dá)的范清華認(rèn)為H.265壓縮率是比較高的，但所付出的代價(jià)是壓縮和解碼時(shí)間的增加，功耗和系統(tǒng)資源的增加，這就需要評(píng)估在實(shí)際應(yīng)用中用更大的代價(jià)來?yè)Q取壓縮率是否值得。從目前來看，H.264仍然是最具性價(jià)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(chǎng)上H.265的產(chǎn)品并不多，但是看好H.265的人卻不少。瑞普?qǐng)D視技術(shù)顧問孫俊認(rèn)為HEVC/H.265將會(huì)成為主流，一是因其壓縮效率高，二是因其兼容性高，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界認(rèn)可度高。他認(rèn)為從現(xiàn)在開始，未來十年H.265將會(huì)占據(jù)視頻編碼領(lǐng)域80%的市場(chǎng)。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(biāo)準(zhǔn)MPEG-2第二部分H.262和MPEG-4第十部分AVC/H.264在全球范圍內(nèi)具有廣泛的基礎(chǔ)，以及其中當(dāng)時(shí)時(shí)期所達(dá)到的最高壓縮效率，因而獲得了廣泛應(yīng)用。比如使用谷歌搜索H.264,搜索結(jié)果為22,400,000條結(jié)果，搜索H.265，搜索結(jié)果達(dá)到375,000,000條結(jié)果，由此可見H.265在國(guó)際范圍內(nèi)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(yīng)用大門已經(jīng)開啟!艾普視達(dá)的范清華也認(rèn)為，在2015年，H.265將會(huì)很快興起，在300萬像素以上超高清視頻領(lǐng)域內(nèi)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。