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浅析H.265下的编解码新趋势
2015/6/2 9:59:00      来源:《中国安防》    作者:杨东
    2014年视频服务产业在各大版面都充斥着4K、极致高清,互联网视频门户网站、电视、手机生产厂商各自都已经有4K产品问世,把人们的视线一下拉进了4K影像。

  2014年视频服务产业在各大版面都充斥着4K、极致高清,互联网视频门户网站、电视、手机生产厂商各自都已经有4K产品问世,把人们的视线一下拉进了4K影像。在一线城市,4K的概念已经开始普及,部分家庭也已经体验到4K电视产品。面对新技术和人们对极致高清的需求,在视频服务产业中,安防视频监控行业也紧跟市场的变化,推出相应的4K产品。
  其实在过去一两年里,安防监控行业早已有4K产品亮相在各大安防展,但是为什么至今还未在整个监控系统普及呢?主要原因还是作为一套完整的系统,从前端采集、后端存储、中心传输显示较之1080P时代还没有成熟的方案,当中还有部分技术、运营成本的瓶颈。
  技术背景
  1.4K技术
  国际电信联盟对4K的定义是:水平清晰度3840,垂直清晰度2160,宽高比16:9,约830万像素,分辨率是1080P的4倍,720P的8倍。4K带给我们更加清晰的图像画质,更加丰富的细节。目前大多数厂家的监控摄像头还是集中在130W-200W解像力,少数大厂家已经有500W,600W甚至达到4K级别的800W摄像头,例如海康威视的3.8mm~16mm和11mm~40mm大光圈800万像素日夜红外镜头。
  从目前市场推出的部分摄像头、NVR、解码器产品来看,当前已经有支持4K分辨率的编解码显示产品。例如海康威视解码器DS-6416HD-T可以解码8路800W。
  当然,我们收获如此优质画质的同时,却也有着如何传输、存储和显示4K画质的难题,因为现有的编码技术,主流的还是H.264,1080P的前端码流在4M~6M,而4K则需要10M~15M,由此带来的存储压力、网传压力让不少安防厂商望而止步。
  那么是不是没有好的解决方案来让大家体验到4K画质呢?当然不是,H.265让这一切成为了现实。
  2.H.265技术
  H.265是ITU-TVCEG继H.264之后所制定的新的视频编码标准,将全面提升视频的压缩效率,与现有的视频压缩H.264/AVC相比,它的高压缩率特性可以使得前端编码码率降低大约50%的同时,还得到了相同的视频质量,节省一半左右的存储空间,从而显著降低了视频的存储成本,解决存储压力;码率降低,这也意味着仅需原先一半带宽即可播放相同质量的视频,解决了网传的压力,并且还能获得比H.264视频更好的信噪比(PSNR)效果。图1是以标准测试序列Kimono1(1080P24)所得的结果。由图可见,1080P下H.265相较于H.264码率降低约40%~50%。

  图1H.265与各压缩标准的客观性能比较[1]
  既然已经有算法实现,从H.265正式批准通过到现在,为什么市场支持H.265产品却非常少,需要从整个监控系统中两个关键环节来分析:编码和解码。
  编解码技术
  1.编码
  在视频采集后,在保证视觉效果的同时需要减少视频数据量,以便数据传输和存储,处理这一问题,编码压缩显得尤为重要,其中涉及的核心技术便是视频编码压缩算法和视频编码压缩芯片。在H.264时代,经过多年的积淀,算法和芯片的搭配方案早已成熟,网络建设基础也已经可以配合1080P传输。但是4K的强势来袭,让H.264和现如今的网络带宽已经招架不住。H.265虽然可以解决前两者的弊端,但是鉴于新技术,实现起来还有诸多问题需要解决。目前编码主要有软件编码和硬件编码,现有的视频编解码产品,软件实现H.265编码器的复杂度较之H.264呈几何增长,单靠软件实现肯定会在H.265时代跌落马下。而涉及到硬件芯片处理模式,鉴于H.265的视频编码的实现算法尚在不断完善,而且芯片设计生产和推出市场的时间相对都比较长,二者还要不断地磨合,短期内出现比较成熟稳定的方案还比较难,另外高昂造价也还不足以让其量产。
  2.解码
  视频不论是采集、编码、传输和存储,最终的目的还是需要解码显示,视频解码是对视频编码的反过程,解码器就是完成这一重任的设备,解码器也有软件解码和硬件解码,软件解码通常由CPU完成,利用播放软件读取视频流文件,在操作系统上运行解码程序(插件)实现图像解码,最后通过显卡输出显示;硬件解码通常由DSP完成,将数字信号转换为模拟信号输出到电视墙。相比较软件解码,硬件解码由于有专门的硬件支持可以得到更加流畅的显示效果,随着4K以及H.265的到来,编码所遇到的问题,解码一样也会遇到。解码4K虽然已经有部分解码器支持,但是由于受目前编码技术、网络带宽限制,4K带来的大量数据文件给当前解码芯片带来不小压力,同时支持解码较多路数还不太可能,而对于H.265的支持,虽然当前芯片厂商对于硬件解码H.265布局已久,但是整体硬件解码方案实现起来比软件解码相对会难一些,推出相应的解码设备在2015年将还会经历一段时间。
  行业应用
  目前互联网行业的发展正如火如荼,人们对于安全意识也随之加强,安防民用市场正打开大门,不少安防厂商,甚至是互联网企业、手机厂商都开始涉足民用领域。在2014年,安防厂商联手互联网企业的布局已经展开——安防厂商开放前端接口给互联网企业拿手的云存储、社交工具,使得人们可以通过平日常用的社交工具就可以体验到安防产品的便利,并且可以网络存储在云端,以供随时调取,但是云存储容量大小和社交工具的网络传输质量会面临目前的网络运营建设的瓶颈,此时编码器在这里显得尤为重要。
  无论是IPC、DVR、编码技术的升级,例如H.265换来的小码流、高清晰度都会推动民用安防透过互联网传播开来。另外我们日常生活当中的个人电脑、手机、平板观看视频多数都是由软件解码视频,H.265的软件解码相对软件编码少了编码模式选择,减少运算量的消耗,加之国内外厂商在X86、ARM平台上已经有相应的支持H.265的解码软件,因此透过移动终端的社交工具软件,或者自己开发的解码软件实现移动监控,在2014年也受到了各大安防厂商的重视,海康威视旗下萤石系列产品就是实例。
  在视频会议、监控系统、机顶盒等领域,用软件解码视频技术上的确可行,对于H.265的解码支持也可以通过CPU加H.265播放库实现,但是对于大型监控中心而言,长时间的运行考验成为问题,因为软件的运行需要占用大量CPU空间和内存资源,这样会导致长时间播放途中每隔数十秒便会有一定时间卡顿,并且会大幅损耗CPU寿命。另外由于人们对于视频解析度和同时解码多路视频上墙的要求增加,在通用CPU性能无法满足的情况下,通过硬件功能,解码H.265编码格式,无论是DSP或者是硬核SOC,硬件芯片支持将会变得不可或缺。硬件解码的设备仍然会获得监控中心建设的青睐。
  编解码设备重要指标及选型
  编码,解码相辅相成,选型时必须同时考虑,相互兼顾。
  1.编解码格式支持种类
  支持目前主流编码压缩标准H.264/MPEG4/MPEG2/MJPEG,H.265选择尚需时日。
  2.编解码分辨率
  支持目前主流分辨率1080P/720P/WD1/4CIF/2CIF/CIF/QCIF,4K虽然来到身边,也需注意应用场景和实现成本。
  3.支持多种网络协议
  支持多种网络协议:IPv4/v6、HTTP、HTTPS、QoSlayer3DiffServ、FTP、SMTP、Bonjour、UPnP、SNMPv1/v2c/v3、DNS、DynDNS、hkDDNS、NTP、RTSP、RTP/RTCP、TCP、UDP、IGMP、ICMP、DHCP、ARP、SOCKSv4/v5。
  4.支持分屏显示
  支持多种分屏显示方式,例如4/8/9/16等多画面的分割显示。
  5.支持高级视频管理
  支持智能码流识别、智能行为分析、智能录像回放、智能报警处理等。
  6.丰富的集成能力
  支持国标GB28181协议接入设备;支持ONVIF标准协议接入设备;支持RTP\RTSP协议进行设备预览;支持平台以SDK方式集成设备。
  7.完备的运维管理
  支持WEB方式访问、配置和管理、远程获取和配置参数、远程导出和导入参数、远程获取系统运行状态、系统日志、远程重启、恢复默认配置、升级等日常维护。
  8.丰富的接口类型
  DVI-I、VGA、HDMI、BNC接口解码输出。
  结语
  4K、H265等新兴技术都已经来到我们身边,感慨这些新技术带来的震撼的同时也需要冷静思考新技术实现的成本和场景的应用。2014年,各家安防厂商都已经布局相继推出自己相关的产品,海康威视也在北京安博会上展览了全套4K、H.265产品,相信在2015年,凭借各自的研发实力,更加成熟的产品以及方案即将问世。
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编辑:侯雨婷
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