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H.265在安防行业的发展和应用
发布时间:2017-04-06 11:43:23 | 浏览次数:


随着网络通信技术的不断发展和终端处理性能的不断提升、多媒体业务尤其是高清视频的支持需求日益增长,据调查显示:2013年,网络视频占据了互联网90%的流量,而在移动互联网中,视频占了50%以上的流量。

  另外,由于人们对视频质量的需求也在不断升,包括对时间和空间分辨率的不断提升、从二维视频到立体视频的转换等,导致视频数据量的不断增长。因此对视频压缩编码技术的要求也越来越高,视频压缩编码技术也成为目前多媒体技术研究领域中最热门的技术之一。

在过去的10年里,视频监控领域的主要视频压缩标准是H.264。今天,H.264占据了网络视频码流的80%左右。现在的摄像机主流分辨率是720p1080p等高清级别的,但是几年前的主流分辨率是VGA级别的。H.264在视频监控IP化过程中扮演了重要的角色。

  但是今天,在视频监控领域我们仍然面临着诸多挑战。随着摄像机分辨率的不断增加,出现了更大的百万级像素(MegaPixel)sensor、全景摄像机、甚至是千万级像素sensor。同时面临着远程观看这样的大分辨率视频而带来的网络传输压力,以及码流的存储压力。

  正是面对这样的局面,ISO/IECMPEGITU-TVCEG联合制定新一代视频压缩标准HEVC/H.265。视频编码算法标准的制定者们声称,一个视频压缩标准的使用期一般为10年,即经过10年的使用期,由于整个产业链的发展以及科学技术的发展,标准应用的场景和环境都会发生巨大变化,针对新的应用场景和新的应用平台,需要研发更高明的算法和更具先进性的标准规范。当年MPEG4标准过渡到H.264,这样的规律可见一斑。

  视频监控的趋势是高清化(高清、高清+、超高清)、网络化、智能化,高清化视频对传输和存储带来很大的压力,H.265相比H.264,对高清化视频更高的压缩率可极大的缓解这一压力。比如,对5MP分辨率的H.265网络摄像机,4MbpsH.265的码流解码效果和8MbpsH.264图像效果相当。若智能分析算法和H.265编码器结合使用,更能进一步降低码率,提升图像质量。相比H.264,对视频监控网络方案实施和工程建设来说,能够节省许多预算开支。

  在高清化的趋势下,H.264的霸主地位已经受到H.265的挑战。现实中虽然有SVACMPEG4MJPEG,甚至微软的VC-1或者谷歌的VP8,甚至广电领域的国标AVS,目前来看,这些视频压缩标准的压缩效率都达不到H.265的同等图像效果下的压缩率。虽然H.265的专利授权费用远远高于H.264,但是不像广电领域的节目接受预订或者互联网视频服务提供商,视频监控领域的视频录像不会用于对外提供服务,因此业内很多人士预测,H.265仍将在视频监控领域受到热捧,在下一个10年里,H.265将会取代H.264,成为主流视频压缩标准。

  20155月份国家发展改革委等九部委发布的《关于加强公共安全视频监控建设联网应用工作的若干意见》中提高新建、改建高清摄像机比例达到100%”逐步增加高清摄像机的新建、改建数量2020年,基本实现全域覆盖、全网共享、全时可用、全程可控。这意味着在公共安全领域,新购置的摄像机必将是高清化的摄像机,高清化摄像机尤其适用于H.265压缩。就像当年的H.264取代MPEG-4压缩一样,在一个视频监控网络中,H.265H.264两种压缩标准并存能够解决以建摄像机的后向兼容性,但同时增加了整个监控网络的复杂性和不稳定性。在H.265应用初期,这种情况在所难免。随着时间推移新的H.265压缩摄像机替换已到使用年限的H.264摄像机,到时整个网络必将是全网H.265的高清化视频,H.265配合高清化视频的应用必将带来整个视频监控网络方案中的前端、后端、存储、智能、显示的显著变化。

  H.265应用解析

视频监控领域的视频压缩,由H.265取代H.264,主要影响的是压缩模块产品和解码模块产品,即IPCNVR,以及带有解码显示的平台软件。IPCNVR由于使用码芯片的ASIC或者硬件加速单元进行硬编码和硬解码,传统的H.264编解码芯片无法进行升级支持H.265H.265Version120134月正式发布后,虽然有很多公司声称实现了H.265的编码或解码,但大都是基于CPU或者FPGA实现,不太适合视频监控应用。2014年,海思在业界首次提出基于SOCIPC+NVR的完整视频监控解决方案参考设计。当然现在海思的H.265编解码方案更加丰富,不仅仅支持H.265编码和解码,同时支持4K超高清的H.265编码和解码。

  除了海思,还有其他的比如安霸、高通、SONYNVIDIAIntel等公司陆续提出H.265配合4K超高清的编解码SOC或者CPU+ASIC的编解码方案。基于H.265IPCNVR、平台等等产品形态迎来了蓬勃发展期。

  H.265价值的进一步挖掘

  除了高清化的趋势和智能化趋势,还有一种趋势是智能化和H.265编码的有机配合。从算法的角度理解,视频压缩算法中也使用了大量的智能分析算法,视频压缩的根本是根据对视频图像场景的理解,有效的剔除时间冗余、空间冗余、概率冗余等,在保留信息的前提下,达到压缩的目的,以尽可能的接近视频图像信息熵。

2H.265编码与智能结合

  H.265编码与智能结合


  从目前的应用情况来看,智能分析和H.265压缩两者还是割裂的,视频序列和图片的智能分析结果没有有机的和H.265的帧内压缩和帧间压缩融合起来。比如海思的Hi3516A编码SOC,分别提供了ISP单元、智能分析单元IVE2.0H.265编码单元,但好像并没有很好的融合,假若在H.265编码单元中充分利用背景建模、光流分析、移动侦测、等智能分析单元的分析结果,理解场景中的背景区域和前景区域,以及场景中的亮区、暗区、多纹理区域,等等这些智能分析结果和H.265的编码单元模块算法有机结合,可以在现有基础上进一步降低码率,提升编码效率。

  HDR可扩展与WCG可扩展

  与图像质量有关的因素是分辨率、帧率、色域、动态范围和量化精度。而与这几项因素提升带来图像质量提升的带来的便是超高清UHD

  高清到超高清,仅仅是分辨率和清晰度的提升,帧率的增加也带来运动连贯性的提升。分辨率由2MP3MP4MP8MP、甚至千万像素,帧率由25fps30fps60fps,这些H.265编码和解码芯片都已经大部分支持,因为这两项仅仅涉及到单纯的编解码性能的提升。H.265MainProfile@Level5或者@Level5.1即可满足这两项。

  但是对超高清来说,宽色域(WCGWideColorGamut)和高动态(HighDynamicRangeHDR)。所谓动态范围(DynamicRange)笼统的说是一个可变信号的最大值和最小值之间的比值。对视频采集或者视频显示设备来说,其动态范围基本上可以表达为最亮处与最暗处之间的过度范围。

  标清时代的动态范围10001,相当于10档光圈宽容度,高清时代也是如此。高清的采集、显示系统的宽容度为1000110档光圈,动态范围的幅度仍然停留在和标清一样的10-2~102尼特。人眼在瞳孔可调节的情况下,对光线可接受的动态范围则搞到10-6~1014尼特。传统的动态范围已经限制了人眼观看图像的主观感受,于是促使了HDR标准出现。HDR的目标是把整个系统的宽容度提高两个数量级达到1000001,相当于从10档光圈提高到16.7档,达到与人眼瞳孔无调节时相当的程度。

  现在国际上对HDR并没有一个统一的规范标准,而是存在两个标准。一种是杜比公司建议的PQ(PerceptualQuantizer,感应量化编码曲线),已经成为SMPTEST2084标准,另一种是NHKBBC建议的HLG(HybridLog-Gamma),正在申请成为ITU-R标准。这两种标准都向下兼容SDR

  色域(ColorGamut),即颜色空间,描述了可表示的颜色范围,比如人眼可以感知的颜色空间,或者一个sensor或者一个现实设备所支持的颜色空间。标清的色域由ITU-RBT.601定义,高清的色域由ITU-RBT.709定义。随着新的显示技术(OLED和量子点技术)以及UHDTV的发展,产业界意识到有必要包含在BT.709之外的颜色,大于BT.709的色域从称为宽色域WCG(WideColorGamut)。宽色域包括ITU-RBT.2020DigitalCinemaInitiatives(DCI)‘P3’

HDRWCG不仅仅在光电行业,在视频监控行业也很迫切,尤其的对夜间场景和强光下场景,现有的高清标准无法看清星光级甚至月光级的细节。故必须对整个视频监控系统从采集、编码、传输、解码、显示各个环节支持HDRWCG才能够还原真实世界中的细节。

  虽然4K/8K超高清更适合用H.265进行压缩,但是目前来看,视频监控领域的4K摄像机占有率远远低于1080P或者3MP摄像机的市场占有率。所以H.265首先会在高清和高清+的视频领域进行应用。同时这也给H.265预留出更多的空间进行标准的优化、H.265编码器的优化,以进一步降低计算复杂度、提升压缩效率。这样的优化工作需要通过整个产业链(即:标准制定+芯片设计+摄像机制造+码流服务)来完成,而不能仅仅依赖视频监控工业独立完成。随着无线传输基础设施的不断完善,以及支持4K超高清的显示大屏和显示监视器等设备的不断完善,H.265编解码,会比H.264接受的更快、更广!


 
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