在2010年，ITU-TVCEG和ISO/IECMPEG共同立項了聯合項目HEVC（HighEfficiencyVideoCoding），開始研究和制定下一代視頻壓縮標準，將主要目標定義為在1080P分辨率上，相比當前主流的視頻壓縮算法提高一倍左右的壓縮比，并提供更高分辨率的有效支持。這一標準，也被視為目前安防行業普遍應用的H.264/AVC算法的繼任者H.265。2013年初，HEVC通過標準組織第一階段審批，正式名稱為ITU-TH.265。據悉，H.265的整個標準化程序將在2014年左右完成，本文就H.265的性能、關鍵技術、復雜度、應用趨勢和產業影響等方面進行簡單的分析。
一、性能指標
H.265作為新一代的視頻壓縮技術，其核心的優勢在于相比之前的歷代標準，可以在同樣的圖像質量下，大幅降低壓縮碼率。
從客觀效果提升上看，根據測試H.265在1080P分辨率下相比H.264碼率降低一半左右，并且分辨率越高優勢越顯著。圖1是以標準測試序列KristenandSara（720P60）和Kimono1（1080P24）所得的結果。可以看出，720P下的碼流降低幅度約30%-40%，1080P下約40%-50%。總體而言，H.265相對于H.264/AVC客觀性能的提升幅度已達成目標。
圖1 H.265與各壓縮標準的客觀性能比較
需要指出的是，H.265的壓縮性能提升主要體現在高清圖像上，對于標清及更小分辨率的圖像幅度有限。對于高清圖像，如果其紋理復雜銳利，也較有可能無法達到上述性能。
在主觀圖像測試方面也獲得了類似的結果，1080P下H.265在節省了約50%碼流的同時，所得的圖像質量與H.264相當（具體如圖2所示）。
二、技術特征
H.265與H.264所采用的基礎框架類似，在各個主要的技術點上都進行改進，尤其是引入了圖像塊自適應四叉樹劃分，并采用一系列變尺度的圖像紋理特征自適應編碼技術，較大幅度提升了圖像平坦區域的壓縮能力。各種先進的技術共同作用，使新標準獲得了性能的顯著提升。（見圖3）
H.265相對于H.264比較大的改進是：
（1）在圖像分塊以及運動補償、變換塊方面，支持更大尺寸和更多種類；
（2）更靈活豐富的幀內/幀間預測、運動矢量預測和變換模式；
（3）增加環內采樣自適應濾波SAO；
（4）提供TILE模式等技術，更好地支持并行處理。
這些新技術的運用，不但有效地提高壓縮性能，也為充分地考慮了設計上的可并行性，為各種處理器平臺的有效實現擴展了空間。
三、復雜度估計
關于運算復雜度方面，可以從編碼和解碼、軟件實現和硬件實現兩個維度與H.264/AVC進行比較分析。
軟件編碼根據初步測試，如果希望接近或達到官方展示的壓縮效果，軟件實現的H.265編碼器與H.264的優秀編碼器如x264相比，運算復雜度可能有數量級上的增加。
其原因主要在于，H.265的性能提升很大部分通過增加較多的編碼模式達成，而從這些模式中擇優選取，是一項非常消耗運算量的工作。不過隨著學術與產業界研究和應用的深入，針對H.265更為高效的新算法不斷提出，運算的復雜度將逐漸可控。
1、硬件編碼
由于H.265定義的最大圖像分塊為64×64像素，為了保存較大區域的原始圖像，意味著需要更多的片上緩沖區。面向高清應用，對應運動搜索范圍的增大也會產生相同的影響。再者，H.265在各模塊，如運動補償、變換量化、采樣自適應濾波等方面的改進，也需要更多硬件資源。并且，更復雜模式選擇算法所要求的計算代價仍然存在，只不過與軟件相比，以芯片邏輯面積的增長替代了處理器時鐘的消耗。總的來說，對于一般性能要求的硬件編碼而言，實現復雜度增加比軟件編碼要低一些，是H.264的三五倍左右。
2、軟件解碼
由于沒有模式選擇的巨大消耗，H.265在軟件解碼方面的復雜度較為理想，可能是H.264的兩倍不到。目前國內外不少廠商都在x86、ARM等平臺上發布了可商用的H.265解碼軟件，推動了標準的普及應用。
3、硬件解碼
從H.265已公布的MainProfile定義看，相對于H.264在硬件解碼方面的復雜度也有一定程度的增加，尤其是如果需要兼容整個Profile的全部定義，其增加的幅度可能與中等設計要求的硬件編碼接近。
四、應用趨勢
對于視頻監控應用來說，存儲時長和容量成本一直是方案設計時需要反復權衡的關鍵矛盾之一。當大規模聯網模式和集中存儲方案開始推廣后，網絡帶寬的瓶頸也逐步浮現。尤其是高清應用的普及，更凸顯了這些問題，提高壓縮性能的需求日益迫切。
面對這種情況，安防行業技術較為領先的廠家，如海康威視，一方面在已有的H.264編碼產品上進行深入改進，采用H.264的高級算法如CABAC、8×8Transform、ScalingMatrix等繼續提高壓縮比，并且結合SVC、ROI等應用技術進一步改善效果；另一方面，隨著IT技術發展趨勢，安防企業也將眼光放在了H.265上，是否可以進一步緩解高清與高碼流的矛盾，乃至掀起一輪技術革新的浪潮？
如上述分析，H.265算法的編碼復雜度較高。如果使用DSP、x86等通用處理器進行軟件編碼并希望獲得明顯超過H.264的性能，需要選擇較為高端的產品平臺，其成本與功耗對于嵌入式監控產品如IPCamera來說還算不上有競爭力的方案。同時也可以預期，在整個安防行業的共同推進下，尤其是在IC領域進一步深入研發后，隨著集成H.265編碼功能的硬核SoC推出，H.265有可能憑借壓縮能力上的明顯優勢，逐漸取代H.264，并成為未來的主流。從解碼角度看情況比較樂觀，H.265的軟解復雜度相對于H.264增加得并不多，以至于不但PC，現階段的中檔多核智能手機也可以較流暢地處理。目前，網上已經可以找到一些支持解碼和播放H.265視頻的軟件。不但如此，H.265硬件解碼也較有可能成為未來處理器的標準配置，據悉高通、博通、MTK等都有計劃在不遠的將來推出相關SoC。
在聯網系統方面，H.265面對的問題要復雜一些。目前國內安防系統已建或在建網絡所依據的標準，不論是在平安城市中大力推行的GB/T28181，還是各類地標、企標，均未就擴展H.265的可能性進行論證。論證之后，對于標準的修訂一般都需要不少時間，即便修訂標準擴展支持，新產品接入和兼容，也需要各廠家調試磨合。可以預期，在已建成并投入運營的系統上，產品換代將會以非常穩健的步驟推進。保守估計，H.265設備在安防行業聯網系統上獲得成規模的應用，也許需要數年的周期。
從目前來看，H.265標準的發展與推廣，可能在專利方面存在一定阻礙。據悉，持有H.265重要專利的企業，例如三星、高通以及聯發科等，目前尚沒有表態愿意將其專利加入到MPEGLA的專利池中，而是保留各自收取專利費的可能性。如果H.265實行分別收費，這些握有各自核心專利的寡頭們仍然能夠通過相互交換授權來瓜分蛋糕，但其他廠家尤其是與上述企業存在競爭業務者，很可能對標準態度審慎，最終影響其普及。安防領域企業的面臨的情況也將類似。
五、產業影響
如果梳理視頻壓縮標準發展的脈絡，可以發現一個現象：較早的H.262/MPEG2標準，由ITU-TVCEG和ISO/IECMPEG共同制定，在ITU-T主導的電信和MPEG主導的廣電領域都獲得了統治地位；接下來H.263和MPEG4-P2由兩個組織分別制定，結果影響力相對削弱，只是各自在其專業領域占據局部份額；到了H.264/AVC時代，VCEG和MPEG再度聯手，又打造了影響力巨大的一代標準，并且成功地整合了電信、廣電、互聯網應用，安防監控也包括其中。再具體地看H.264，雖然標準設計時針對移動、標清電視、高清等不同場景定義了Baseline、Main、Ext和HighProfile等多個檔次，但具體每個檔次獨有的技術，例如BaselineProfile面向移動的ASO、FMO、RS等特殊工具在實際中卻甚少采用，大量的實現還是以基本工具為核心搭建的。
上述的現象也許意味著，信息交互正在廣泛應用于各行各業中，視頻作為數據量最大的非結構化信息之一，其壓縮標準越來越成為通用的基礎定義，行業應用特征逐漸弱化。另一方面，弱化行業應用特征后，視頻壓縮標準也能夠更精簡并專注于其核心價值上，直面提升壓縮能力、增強可并行度的挑戰。而各行業應用的特定需求，例如移動應用的容錯問題，廣電應用的版權保護，安防應用的數據防偽、保密等，最好歸到數據封裝與傳輸環節解決，系統層次結構更清晰，應用擴展更靈活。
可能正是基于這種考慮，H.265標準到目前為止只發布了MainProfile一個檔次，不再針對移動、高清等應用引入明顯差異化的技術。后續可能會就更高位寬或不同色域采樣格式的輸入數據進行細分，是否會面向行業應用分化并引入專用技術值得我們共同觀察。
在安防市場方面，用戶的形態也在發生擴充。隨著技術的發展和大眾安全意識的提高，民用市場的安防需求日益增長，基于互聯網的通用型設計開始出現，并帶來安防設備從專業應用分化出消費類產品。在這一轉變的過程中，安防網絡可能會與通信網、廣電網、互聯網全面融合，原本的監控設備可能兼具視頻通訊、影音娛樂、家庭數據中心等多種功能，難以將其明確歸類到某種具體用途上。如果發生這樣的情況，弱化了行業應用特征的H.265，可能更加富有競爭力。由H.265作為視頻信息的基礎標準，也將反過來促進各類專用網絡的融合，推動專用設備突破原本的形態邊界，共同完成信息標準化整合，并邁向物聯網、大數據時代。
具體來說，未來幾年內H.265推廣對安防產業較為可期的促進有：（1）加速高清產品的普及，推動超高清產品的發展；（2）改變視頻監控產品的成本構成，影響安防系統解決方案，助力集中存儲型系統的推廣應用；（3）伴隨4G通信標準落地和移動處理器性能的飛速提升，高清視頻監控應用在移動終端設備中鋪開。對這一新標準將對安防行業產生的影響，大家可以在信息時代變革的洪流中共同期待。
（作者系杭州海康威視數字技術股份有限公司算法高級經理 俞海）
