在視頻監控應用產業鏈的快速發展中，視頻應用一直遵循著不斷向更高清晰度、更高幀率、更高壓縮率方向發展的趨勢。視頻編碼技術H.26Lzui早在1997年被提出，被譽為高度壓縮數字視頻編碼器標準，這個標準現在通常被稱之為H.264/MPEG-4 AVC，簡稱之為H.264 。通過該標準，在同等圖象質量下的壓縮效率比以前的標準提高了兩倍以上，憑借其的編碼性能，連續提供流暢的高質量圖像，以及在不穩定環境下*的容錯率，在過去十年里席卷，滲透進了每一個音視頻領域，與此同時，*地福澤到安防行業。同時隨著視頻流網絡傳輸技術的應用，網絡高清監控開始高速發展，畫質、清晰度迅速更新換代，幾年前還在為監控室展現出來的720P畫面津津樂道，而今1080P已然壟斷網絡監控的時代，并普及到了大街小巷每個角落。
伴隨著技術的發展，對超清畫質的追求也使得安防行業目光的焦點投向了4K。4K液晶顯示器在各*陸續推出，安防廠家也陸續推出了前端4K攝像機和后端4K網絡硬盤錄像機，HDMI的傳輸協議也支持到4K，這樣看來，4K的監控體系已經配套成型，整裝待發。然而問題來了，4K畫面在H.264編碼技術下動輒16Mbps的大碼流，在如今各行業應用中還要面臨帶寬、存儲、能耗和實時性的苛刻要求，于是，更的壓縮技術標準在千呼萬喚中應時而生——H.265/HEVC標準。
二、H.265編碼技術介紹
2013年電信聯盟ITU正式批準通過了H.265/HEVC標準，，標準全稱為視頻編碼(High EfficiencyVideo Coding)，在相同的圖像質量下，相比于H.264，H.265編碼的視頻流大小將減少30～50%。
1、H.265(HEVC)的技術亮點
作為新一代視頻編碼標準，HEVC(H.265)仍然屬于預測加變換的混合編碼框架。然而，相對于H.264，H.265 在很多方面有了革命性的變化。其中zui終要的就是采用了靈活的編碼結構。
在H.265中，將宏塊的大小從H.264的16x16擴展到了64x64，以便于高分辨率視頻的壓縮。同時，采用了更加靈活的編碼結構來提高編碼效率，包括編碼單元(Coding Unit)、預測單元(Predict Unit)和變換單元(Transform Unit)。如圖所示：
圖1 編碼單元(CU)、預測單元(PU)、變換單元(CU)
其中編碼單元類似于H.264/AVC中的宏塊的概念，用于編碼的過程，預測單元是進行預測的基本單元，變換單元是進行變換和量化的基本單元。這三個單元的分離，使得變換、預測和編碼各個處理環節更加靈活，也有利于各環節的劃分更加符合視頻圖像的紋理特征，有利于各個單元更優化的完成各自的功能。
以下圖為例，左圖是傳統的H.264標準，每個宏塊大小都是固定的；右圖是H.265標準，編碼單元大小是根據區域信息量來決定的。
圖2 H.264與H.265宏塊切割的區別
以往H.264會以16 x 16像素為單位(或是16 x 8、8 x 8、8 x 4、4 x 4等配置)，將畫面切割為數個大小相同的巨區塊，并以這些巨區塊做為編碼時的zui小元素。H.265則是將切割畫面的工作從使用者手動設定，轉交給編碼器來決定，讓編碼器可視情況以16x16、32 x 32、64 x 64等尺寸，將畫面切割為數個編碼樹單元，一般來說區塊尺寸越大，壓縮效率就會越好。
正是通過一系列的優化，H.265的視頻編碼壓縮技術能夠讓相同的的畫面及質量的視頻文件容量大小縮減一半，所占用的帶寬也能縮減一半，為有限的網絡帶寬提供了更的視頻壓縮解決方案。在相同的視頻畫面下，通過H.265編碼的視頻大小，相較于H.264編碼，視頻流大小節省了30%～50%。如此一來，4K視頻碼流原來需要16Mbps，基于H.265的技術編碼后，4K視頻碼流僅需8Mbps。而原來在網絡高清系統中廣泛使用的1080P碼流，也從原來的4～6Mbps，通過H.265編碼壓縮，降為2～3Mbps。這意味著隨著MMIS車地無線系統在上海軌道交通的建設，100Mbps的帶寬可以滿足同時傳輸zui大30-40路車載視頻，滿足地面實時瀏覽車載視頻監控的需求。
IEEE的測試中，以9段影片進行測試 H.265 的編碼表現，*樣本節省流量達到66.6%，表現zui差的樣本，節省流量也接近30%，平均值達到49.3%。同時，H.265支持 4K(4096×2160)和 8K(8192×4320)像素的超高清視頻。 4K 視頻的數據量是高清的 4～8 倍，需要更率的壓縮編碼算法，而 H.265 的編碼效率是 H.264 的兩倍，可以很好的滿足 4K 視頻的編碼需求，節省存儲資源。
圖3 H.265與H.264碼流帶寬比較
在軌道交通視頻監控應用中，隨著2015年12月27日第十二屆全國人民代表大會常務委員會第十八次會議通過《*怖主義法》，其中第三十二條明確規定：“重點目標的管理單位應當建立公共安全視頻圖像信息系統值班監看、信息保存使用、運行維護等管理制度，保障相關系統正常運行。采集的視頻圖像信息保存期限不得少于九十日。”其中須履行的場所包含了政府機構、銀行、城市大型活動場所、機場、火車站、城市軌道交通站等重點目標，其視頻錄像由30天以上須調整為90天以上，這對于軌道交通視頻監控系統的建設投入提出了更高的需求。以上海為例，目前采用H.264編碼的1080P/25幀視頻，以一個站平均100個點位，存儲90天計算，需要372T硬盤容納容量，若采用H.265編碼，則存儲設備的投入可以減少到一半。
目前各大視頻監控廠商均已推出了成熟的H.265產品。視頻監控領域的視頻壓縮，由H.265取代H.264，主要影響的是壓縮模塊產品和解碼模塊產品，即IPC、NVR、解碼器，以及帶有解碼顯示的平臺軟件。其關鍵在于使用碼芯片的ASIC或者硬件加速單元進行硬編碼和硬解碼。目前業界主流的芯片廠商如海思、安霸、高通、SONY、NVIDIA、In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。而基于H.265的IPC、NVR、平臺等等產品形態已經成為行業標配。
三、H.265技術在上海軌道交通的應用
目前上海軌道交通高清視頻監控系統的技術架構通過IP網絡進行傳輸，以GB-28181 SIP協議為平臺間控制協議，ONVIF為前端設備接入協議，H.264為編碼協議。由于H.265是作為H.264的迭代升級，因此升級和過渡僅需進行對應編解碼設備以及控制協議的升級即可，是一種平滑、低代價的升級。GB-28181《公共安全食品監控聯網系統-信息傳輸、交換、控制技術要求》正在修編過程中，其中增加了H.265統一編碼規定，同時也對控制協議進行了相應的擴展。而ONVIF(Open Network Video Interface Forum)也于2017年7月公布了Profile T的規范草案，草案對*流媒體功能進行了支持，包括支持H.265視頻壓縮標準以及擴展功能集，擴展了系統集成商和終端用戶的ONVIF視頻配置的功能。這使得上海軌道交通視頻監控系統引入H.265視頻壓縮標準時在控制協議上僅需將現有控制協議進行升級迭代即可。
四、結論
H.265編碼技術的應用在目前安防監控的帶寬需求、存儲需求日趨增加的背景下，能夠以一種更加和節約的方式推動安防監控邁向更清晰，更智能的新篇章。而其對前任H.264在系統架構上的繼承也使得用戶能夠以zui小的代價進行技術升級。上海軌道交通目前具備升級到H.265的能力，同時隨著存儲90天、地面實時瀏覽車載視頻監控系統甚至移動視頻監控等需求的增加，也有進行技術升級的需求。
專題作者：上海申通地鐵集團有限公司技術中心周明；特別聲明 ：轉載者須注明作者、單位及文章來源
