百家争鸣

　　随着各种超高清技术的发展，随之而来的海量监控数据不断地为传输、存储带来巨大的压力，在我们为这种困境感觉苦恼的时候，刚刚过去的北京展上出现的各种H.265、SVAC等采用效率更高编解码技术的产品不由得让我们眼前一亮。想必大家在网上看电影、视频的时候都有注意到很多视频都是不同格式的，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总能先于其他格式出现但画质却差强人意的TS版视频等等。娱乐影音领域的视音频编解码标准已经有了这么多，安防领域即便少也不会差太多，不得不承认，目前的视音频编解码市场可谓是百家争鸣。

　　安防领域，现有的主流视音频编解码标准共有四种类型，第一类型为ISO/IEC MPEG制定的MPEG系列标准，该系列主要有以下五个标准：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7以及MPEG-21等;第二类型为ITU-T VCEG制定的H.26x系列编码器，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联合制定的标准，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;第三类型就是我们国家制定的国家标准，主要有AVS、SVAC、AVS2。AVS和AVS2是我国完全自主知识产权的视频压缩标准，AVS是和AVC/H.264同等级别的视频标准，AVS2是和HEVC/H.265同等级别视频标准，SVAC是由公安部一所和中星微主导制定的视频编码标准;第四类型则为企业级标准，包括微软的WMV，即VC-1，在微软的努力下成为SMPTE 421M国际标准，还有谷歌的VP8、VP9开源视频压缩标准、BBC开发的开源Dirac视频压缩标准、Mozilla和Xiph.Org基金会开发的开源Daala视频压缩标准等等。

　　那么在这众多的编解码标准中，究竟谁能够脱颖而出成为万千宠爱于一身的那一个?是为CD建立视音频标准的MPEG系列中的一个，还是已经发布十年之久却依然占据着绝大部分市场的H.26x系列之中的AVC/H.264，抑或是今年北京展上大放光彩的业界新星HEVC /H.265，再或者是旨在解决安全防范监控行业独特要求的SVAC?接下来就让我们了解一下它们的关键技术以及它们各自的优劣势。

　　编解码标准的关键技术

　　浙江宇视科技有限公司规划与系统部(以下简称为“宇视规划与系统部”)认为不论视频还是图片，现有的压缩标准，都是基于如图1所示的混合结构。压缩算法都是以图像块为基本单位，即把图像按照从上到下，从左到右的光栅扫描顺序对图像进行划分成块。图像块进行帧内预测或/和帧间预测，得到预测残差进行2D变换，对残差信号在频域进行分离，依据人眼对空间高频分量信号不敏感的特性，通过2D量化，有选择性地去除高频分量，实现压缩。量化后的频率分量一维化后，进一步使用熵理论进行压缩。

图1 混合结构

图2各种视频压缩标准压缩效率对比

表1   HEVC图片压缩标准对比（基于PSNR和MOS）
 

　　对图片压缩来说，只能利用空间相关性使用帧内预测算法去除空间冗余达到压缩目的。对视频来讲，还可以利用前后帧的时间相关性使用帧间预测算法去除时间冗余达到压缩目的。

　　但是不同的图片视频压缩标准，其中采用了各种大量算法，按照技术发展历程，年代越新的，其采用的压缩算法越先进，压缩效率越高。高效压缩算法的一个代价就是计算量的增加。比如就视频压缩效率而言，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，如图2所示。从图片压缩效率来看，MPEG-H 第二部分 HEVC/H.265的各种色度格式Still Picture Profile肯定高于JPEG和JPEG2000，如表1所示。

　　杭州海康威视数字技术股份有限公司(以下简称为“海康威视”)的武晓阳介绍道，现在业界使用的视频编解码标准都采用相同的编码框架，先把图像分成大小相等的编码单元(H.264及之前标准成为宏块MB，H.265成为编码块CU)，然后对编码单元进行预测编码、变换编码、以及熵编码等多种混合编码策略。正因为如此，该编码框架成为基于块的混合编码框架。

　　各标准之所以不同，而且编码性能差别很大，其原因在于每个标准对框架中不同模块的实现细节不同。H.264相对之前标准，关键技术包括适合分包传输的NAL结构，空域方向性帧内预测，不同分块大小(从16×16到4×4)的帧间预测、1/4像素的运动补偿、环路滤波、自适应熵编码等等。而H.265则进一步发展，提出了可调节编码单元(CU最大到64×64)，更灵活的帧内预测模式，丰富的运动补偿块、变换块划分，增加了样本自适应补偿SAO技术，提供了TILE、WPP等支持并行处理机制。

　　呈现最佳画质，是视频监控业者矢志不渝的追求，然而在高清、超高清技术发展的过程中，带宽占用一直影响着高清、超高清技术的普及度。四川艾普视达数码科技有限公司(以下简称为“艾普视达”)的范清华告诉我们，理论上来说，编码技术的改进都是期望提升编解码效率，降低功耗和发热，最大限度减少数据压缩对视频质量的影响，这是基本的需求，从用户角度来看，就是要尽量降低实时视频流的带宽(码率)和延迟，图像细节和还原要好，特别是在低照度等极端环境条件下要求码率低，噪点低。由此看来，如何在保证视频画质的情况下提升编解码效率则是编解码技术改进的共同目标，因而如何改进和提升压缩算法便成为了关键。

　　优中选优

　　世界上没有完全相同的两片叶子，即便是双胞胎也有着区别于另外一个而只属于自己的特点，更何况不同的编解码技术，下面我们就来简单的聊一聊目前市场上比较主流的编解码技术其各自的特点。

　　提到主流编解码技术，我们首先想到的必然是已经发布十年之久却依然占据着绝大部分市场的AVC/H.264。对于H.264而言，首先它拥有着更高的编码效率，和MPEG-2、MPEG-4等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3，而同H.263等标准的编码效率相比，其平均也能节省大于50%的码率;其次，H.264能够在低码率的情况下提供高质量的视频图像，在较低的带宽上提供高质量的图像传输是H.264的应用亮点;H.264还具有更强的网络适应性，它提供了网络抽象层(Network Abstraction Layer)，使得H.264的文件能容易地在不同的网络上传输(例如互联网、CDMA、GPRS、WCDMA、CDMA2000等)，同时，它也可以工作在实时通信应用(如视频会议)低延迟模式下，甚至是没有延迟的视频存储或视频流服务器中;另外，H.264采用了DCT变换编码加DPCM差分编码的混合编码结构，还增加了多模式运动估计、帧内预测、多帧预测、基于内容的变长编码、4×4二维整数变换等新的编码方式，提高了编码效率;H.264还具有编码选项较少、可应用在不同场合、错误恢复功能以及较高的复杂度等特点，据估计，H.264编码的计算复杂度大约相当于H.263的3倍，解码复杂度相当于H.263的2倍。

　　对于H.264的升级版及今年北京展上的当红新星HEVC/H.265而言，其编码架构大致上和AVC/H.264的架构相似，主要也包含帧内预测、帧间预测、转换、量化、去区块滤波器、熵编码等模块，但在H.265的编码架构中，整体被分为了三个基本单位，分别是编码单位、预测单位和转换单位。H.265还提供了更多不同的工具来降低码率，以编码单位来说，H.264中每个宏块大小都是固定的16×16像素，而H.265的编码单位可以选择从最小的8×8到最大的64×64。同时，H.265的帧内预测模式支持33种方向(H.264只支持8种)，并且提供了更好的运动补偿处理和矢量预测方法。有关数据显示，相同图像质量下，相比于H.264，通过H.265编码的视频大小可减少大约39-44%;而在码率减少51-74%的情况下，由H.265编码的视频的质量还能与H.264编码视频近似甚至更好，其本质上说是比预期的信噪比(PSNR)要好。

　　北京瑞普图视科技有限责任公司(以下简称为“瑞普图视”)技术顾问孙俊认为，H.265虽然比H.264更加复杂，但是带宽上节省了一倍，这一点对于着重用户体验的厂商来说是非常具有吸引力的，因为一来节省成本，二来用户体验也更好。对安防来说，随着移动互联网应用的普及，以后大家会随时随地在移动终端上查看安防监控的视频，这种情况下带宽就是个核心的因素，因为手机上用的是共享网络，带宽限制是很严重的，因此“随时随地”的要求再使用原有的MPEG-2和H.264是无法支持的。因此安防如果想要进一步升级换代、进一步的提升它的竞争力或者对整个国家、整个世界的影响力的话，它必然要向移动方向转移，那么H.265作为新标准，在这种受限的环境下对安防行业是具有决定意义的;另外，安防因其24小时不间断的监控和存储，它需要的存储空间比我们通常的视频存储更多，因而对于安防来说，存储也占据着大量的成本，而H.265将视频存储所占空间也降了一半，那么成本也将下降一半，因此H.265对于安防领域的意义也是很大的。

　　当然，聊了国际标准之后，又怎能忘记中国特色的国内标准呢?AVS的特点很明显，它是由我国牵头制定的、技术先进的第二代信源编码标准，我国对其具有自主的知识产权。另外，AVS是按照国际通用方式实现的，因而它在国际上的认可度较高一些。而SVAC是第一个旨在解决安全防范监控行业独特要求的技术标准，对确立中国公安和犯罪预防体系来说特别重要。千目聚云数码科技(上海)有限公司(以下简称为“千目聚云”)CEO汪人瑞介绍说，目前存在的很多编解码标准都只注重编码的效率，对于码流的可信度和可管理度方面并没有明确的要求，然而这些对于安防而言非常重要，SVAC则填补了这方面在安防领域里的空白。在公安部接触到的各省各市平安城市项目中，码流的可信度和设备的可管理度问题是他们遇到的最大的问题，这是他们发展SVAC的初衷，千目聚云和公安部第一研究所的战略合作关系使得千目发现这一市场需求，也因此推出一系列SVAC产品。

　　谁是脱颖而出的那一个?

　　当然，事物都具有两面性，有优势自然也少不了劣势。比如随着压缩效率的提高，其要求的计算复杂度也变高，相应的对计算硬件的要求会变高，成本也越高。SVAC标准推行过程中主要面临的问题是产业链上的很多厂家观望情绪严重，参与热情不高，从而导致符合SVAC标准的相关产品供应商偏少。另外部分用户并不清楚SVAC标准可以解决现在安防系统应用中的很多难题，带来应用方式的巨大变革和突破，选用SVAC产品的意愿不强烈。Google主导的VP8，压缩率很高，画质也不错，但是支持的解码器比较少，配套的解决方案不完善，生态系统不稳定，可替代性不强，开发难度大，从而使得下游厂商投入的研发成本会很高。艾普视达的范清华认为H.265压缩率是比较高的，但所付出的代价是压缩和解码时间的增加，功耗和系统资源的增加，这就需要评估在实际应用中用更大的代价来换取压缩率是否值得。从目前来看，H.264仍然是最具性价比的编码方案。

　　不过，小编在采访过程中发现，虽然目前市场上H.265的产品并不多，但是看好H.265的人却不少。瑞普图视技术顾问孙俊认为HEVC/H.265将会成为主流，一是因其压缩效率高，二是因其兼容性高，国内外产业界认可度高。他认为从现在开始，未来十年H.265将会占据视频编码领域80%的市场。宇视规划与系统部表示，由于MPEG和VCEG联合制定的视频压缩标准MPEG-2第二部分H.262和MPEG-4第十部分AVC/H.264在全球范围内具有广泛的基础，以及其中当时时期所达到的最高压缩效率，因而获得了广泛应用。比如使用谷歌搜索H.264,搜索结果为22,400,000条结果，搜索H.265，搜索结果达到375,000,000条结果，由此可见H.265在国际范围内的热度，尤其是海思Hi3516A和Hi3536芯片的推出，H.265在监控行业广泛应用大门已经开启!艾普视达的范清华也认为，在2015年，H.265将会很快兴起，在300万像素以上超高清视频领域内独领风骚。