在過去的10年里，視頻監(jiān)控領(lǐng)域的主要視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)是H.264。今天，H.264占據(jù)了網(wǎng)絡(luò)視頻碼流的80%左右。現(xiàn)在的攝像機(jī)主流分辨率是720p或1080p等高清級(jí)別的，但是幾年前的主流分辨率是VGA級(jí)別的。H.264在視頻監(jiān)控IP化過程中扮演了重要的角色。

　　但是今天，在視頻監(jiān)控領(lǐng)域我們?nèi)匀幻媾R著諸多挑戰(zhàn)。隨著攝像機(jī)分辨率的不斷增加，出現(xiàn)了更大的百萬級(jí)像素(MegaPixel)sensor、全景攝像機(jī)、甚至是千萬級(jí)像素sensor。同時(shí)面臨著遠(yuǎn)程觀看這樣的大分辨率視頻而帶來的網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力，以及碼流的存儲(chǔ)壓力。

　　正是面對(duì)這樣的局面，ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG聯(lián)合制定新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)HEVC/H.265。視頻編碼算法標(biāo)準(zhǔn)的制定者們聲稱，一個(gè)視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的使用期一般為10年，即經(jīng)過10年的使用期，由于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的場(chǎng)景和環(huán)境都會(huì)發(fā)生巨大變化，針對(duì)新的應(yīng)用場(chǎng)景和新的應(yīng)用平臺(tái)，需要研發(fā)更高明的算法和更具先進(jìn)性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。當(dāng)年MPEG4標(biāo)準(zhǔn)過渡到H.264，這樣的規(guī)律可見一斑。

　　視頻監(jiān)控的趨勢(shì)是高清化(高清、高清+、超高清)、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，高清化視頻對(duì)傳輸和存儲(chǔ)帶來很大的壓力，H.265相比H.264，對(duì)高清化視頻更高的壓縮率可極大的緩解這一壓力。比如，對(duì)5MP分辨率的H.265 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，4Mbps的H.265的碼流解碼效果和8Mbps的H.264圖像效果相當(dāng)。若智能分析算法和H.265編碼器結(jié)合使用，更能進(jìn)一步降低碼率，提升圖像質(zhì)量。相比H.264，對(duì)視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方案實(shí)施和工程建設(shè)來說，能夠節(jié)省許多預(yù)算開支。

　　在高清化的趨勢(shì)下，H.264的霸主地位已經(jīng)受到H.265的挑戰(zhàn)。現(xiàn)實(shí)中雖然有SVAC、MPEG4、MJPEG，甚至微軟的VC-1或者谷歌的VP8，甚至廣電領(lǐng)域的國標(biāo)AVS，目前來看，這些視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的壓縮效率都達(dá)不到H.265的同等圖像效果下的壓縮率。雖然H.265的專利授權(quán)費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于H.264，但是不像廣電領(lǐng)域的節(jié)目接受預(yù)訂或者互聯(lián)網(wǎng)視頻服務(wù)提供商，視頻監(jiān)控領(lǐng)域的視頻錄像不會(huì)用于對(duì)外提供服務(wù)，因此業(yè)內(nèi)很多人士預(yù)測(cè)，H.265仍將在視頻監(jiān)控領(lǐng)域受到熱捧，在下一個(gè)10年里，H.265將會(huì)取代H.264，成為主流視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

　　2015年5月份國家發(fā)展改革委等九部委發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)公共安全視頻監(jiān)控建設(shè)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用工作的若干意見》中提高“新建、改建高清攝像機(jī)比例達(dá)到100%”、“逐步增加高清攝像機(jī)的新建、改建數(shù)量”，“到2020年，基本實(shí)現(xiàn)全域覆蓋、全網(wǎng)共享、全時(shí)可用、全程可控”。這意味著在公共安全領(lǐng)域，新購置的攝像機(jī)必將是高清化的攝像機(jī)，高清化攝像機(jī)尤其適用于H.265壓縮。就像當(dāng)年的H.264取代MPEG-4壓縮一樣，在一個(gè)視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，H.265和H.264兩種壓縮標(biāo)準(zhǔn)并存能夠解決以建攝像機(jī)的后向兼容性，但同時(shí)增加了整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。在H.265應(yīng)用初期，這種情況在所難免。隨著時(shí)間推移新的H.265壓縮攝像機(jī)替換已到使用年限的H.264攝像機(jī)，到時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)必將是全網(wǎng)H.265的高清化視頻，H.265配合高清化視頻的應(yīng)用必將帶來整個(gè)視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方案中的前端、后端、存儲(chǔ)、智能、顯示的顯著變化。

　　H.265應(yīng)用解析

　　視頻監(jiān)控領(lǐng)域的視頻壓縮，由H.265取代H.264，主要影響的是壓縮模塊產(chǎn)品和解碼模塊產(chǎn)品，即IPC、NVR，以及帶有解碼顯示的平臺(tái)軟件。IPC和NVR由于使用碼芯片的ASIC或者硬件加速單元進(jìn)行硬編碼和硬解碼，傳統(tǒng)的H.264編解碼芯片無法進(jìn)行升級(jí)支持H.265。H.265 Version1于2013年4月正式發(fā)布后，雖然有很多公司聲稱實(shí)現(xiàn)了H.265的編碼或解碼，但大都是基于CPU或者FPGA實(shí)現(xiàn)，不太適合視頻監(jiān)控應(yīng)用。2014年，海思在業(yè)界首次提出基于SOC的IPC+NVR的完整視頻監(jiān)控解決方案參考設(shè)計(jì)。當(dāng)然現(xiàn)在海思的H.265編解碼方案更加豐富，不僅僅支持H.265編碼和解碼，同時(shí)支持4K超高清的H.265編碼和解碼。

　　除了海思，還有其他的比如安霸、高通、SONY、NVIDIA、Intel等公司陸續(xù)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。基于H.265的IPC、NVR、平臺(tái)等等產(chǎn)品形態(tài)迎來了蓬勃發(fā)展期。

　　浙江宇視科技有限公司在IPC方面和NVR方面，已經(jīng)形成了基于H.265的系列化產(chǎn)品。比如HIC5421DE-C-U 1080P寬動(dòng)態(tài)槍式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等1080P系列槍式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、HIC5631-L-U 300萬寬動(dòng)態(tài)槍式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī) 、HIC2641-DIR系列 400萬紅外定焦筒型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等4MP系列筒形網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、HIC2621DE-CZIR-U系列 1080P星光級(jí)寬動(dòng)態(tài)電動(dòng)變焦筒型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等1080P系列筒形網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、HIC2601DE-CZIR-U系列720P星光級(jí)寬動(dòng)態(tài)電動(dòng)變焦筒型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等720P系列筒形網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。HIC3641-DIR 400萬紅外防暴半球網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等4MP系列半球網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、HIC3621-DIR 1080P星光級(jí)寬動(dòng)態(tài)防暴半球網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等1080P系列半球網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、HIC3601-DIR 720P星光級(jí)寬動(dòng)態(tài)防暴半球網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等720P系列半球網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī);HIC6621HX33-U系列 1080P星光級(jí)標(biāo)準(zhǔn)快球網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等1080P系列標(biāo)準(zhǔn)球形網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、HIC6632X33-5CIR-U 300萬紅外球型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等300萬系列、1080P系列紅外球形網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、HIC1631DX33-C-U 300萬寬動(dòng)態(tài)一體化網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、HIC1621HX22-C-U 1080P星光級(jí)一體化網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、HIC7631X33-C-U 300萬寬動(dòng)態(tài)云臺(tái)一體化網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、HIC7621HX22-C-U 1080P星光級(jí)云臺(tái)一體化網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

　　浙江宇視科技有限公司在NVR方面，也已經(jīng)形成了基于H.265的系列化產(chǎn)品，NVR301-04E系列的1盤位 4路/8路/16路 1080P接入 NVR、NVR304系列的4盤位的16路/32路1080P接入NVR、NVR304EP系列的4盤位16路/32路1080P接入PoE NVR。這些NVR都還支持4K超高清的解碼，并且支持4K超高清的HDMI輸出。其中NVR304系列和NVR304EP系列甚至支持4K超高清的60fps的顯示輸出。

　　H.265價(jià)值的進(jìn)一步挖掘

　　除了高清化的趨勢(shì)和智能化趨勢(shì)，還有一種趨勢(shì)是智能化和H.265編碼的有機(jī)配合。從算法的角度理解，視頻壓縮算法中也使用了大量的智能分析算法，視頻壓縮的根本是根據(jù)對(duì)視頻圖像場(chǎng)景的理解，有效的剔除時(shí)間冗余、空間冗余、概率冗余等，在保留信息的前提下，達(dá)到壓縮的目的，以盡可能的接近視頻圖像信息熵。

　　H.265編碼與智能結(jié)合

　　從目前的應(yīng)用情況來看，智能分析和H.265壓縮兩者還是割裂的，視頻序列和圖片的智能分析結(jié)果沒有有機(jī)的和H.265的幀內(nèi)壓縮和幀間壓縮融合起來。比如海思的Hi3516A編碼SOC，分別提供了ISP單元、智能分析單元IVE2.0、H.265編碼單元，但好像并沒有很好的融合，假若在H.265編碼單元中充分利用背景建模、光流分析、移動(dòng)偵測(cè)、等智能分析單元的分析結(jié)果，理解場(chǎng)景中的背景區(qū)域和前景區(qū)域，以及場(chǎng)景中的亮區(qū)、暗區(qū)、多紋理區(qū)域，等等這些智能分析結(jié)果和H.265的編碼單元模塊算法有機(jī)結(jié)合，可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低碼率，提升編碼效率。

　　HDR可擴(kuò)展與WCG可擴(kuò)展

　　與圖像質(zhì)量有關(guān)的因素是分辨率、幀率、色域、動(dòng)態(tài)范圍和量化精度。而與這幾項(xiàng)因素提升帶來圖像質(zhì)量提升的帶來的便是超高清UHD。

　　高清到超高清，僅僅是分辨率和清晰度的提升，幀率的增加也帶來運(yùn)動(dòng)連貫性的提升。分辨率由2MP，3MP、4MP、8MP、甚至千萬像素，幀率由25fps到30fps、60fps，這些H.265編碼和解碼芯片都已經(jīng)大部分支持，因?yàn)檫@兩項(xiàng)僅僅涉及到單純的編解碼性能的提升。H.265的Main Profile @Level5或者@Level5.1即可滿足這兩項(xiàng)。

　　但是對(duì)超高清來說，寬色域(WCG，Wide Color Gamut)和高動(dòng)態(tài)(High Dynamic Range，HDR)。所謂動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic Range)籠統(tǒng)的說是一個(gè)可變信號(hào)的最大值和最小值之間的比值。對(duì)視頻采集或者視頻顯示設(shè)備來說，其動(dòng)態(tài)范圍基本上可以表達(dá)為最亮處與最暗處之間的過度范圍。

　　標(biāo)清時(shí)代的動(dòng)態(tài)范圍1000:1，相當(dāng)于10檔光圈寬容度，高清時(shí)代也是如此。高清的采集、顯示系統(tǒng)的寬容度為1000:1，10檔光圈，動(dòng)態(tài)范圍的幅度仍然停留在和標(biāo)清一樣的10 ^-2 ~10 ² 尼特。人眼在瞳孔可調(diào)節(jié)的情況下，對(duì)光線可接受的動(dòng)態(tài)范圍則搞到10 ^-6 ~10 ¹⁴ 尼特。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)限制了人眼觀看圖像的主觀感受，于是促使了HDR標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)。HDR的目標(biāo)是把整個(gè)系統(tǒng)的寬容度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)達(dá)到100,000:1，相當(dāng)于從10檔光圈提高到16.7檔，達(dá)到與人眼瞳孔無調(diào)節(jié)時(shí)相當(dāng)?shù)某潭取?/p>

　　現(xiàn)在國際上對(duì)HDR并沒有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而是存在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。一種是杜比公司建議的PQ(Perceptual Quantizer，感應(yīng)量化編碼曲線)，已經(jīng)成為SMPTE ST2084標(biāo)準(zhǔn)，另一種是NHK與BBC建議的HLG(Hybrid Log-Gamma)，正在申請(qǐng)成為ITU-R標(biāo)準(zhǔn)。這兩種標(biāo)準(zhǔn)都向下兼容SDR。

　　色域(Color Gamut)，即顏色空間，描述了可表示的顏色范圍，比如人眼可以感知的顏色空間，或者一個(gè)sensor或者一個(gè)現(xiàn)實(shí)設(shè)備所支持的顏色空間。標(biāo)清的色域由ITU-R BT.601定義，高清的色域由ITU-R BT.709定義。隨著新的顯示技術(shù)(OLED和量子點(diǎn)技術(shù))以及UHDTV的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界意識(shí)到有必要包含在BT.709之外的顏色，大于BT.709的色域從稱為寬色域WCG(Wide Color Gamut)。寬色域包括ITU-R BT.2020和Digital Cinema Initiatives (DCI) ‘P3’。

　　HDR和WCG不僅僅在光電行業(yè)，在視頻監(jiān)控行業(yè)也很迫切，尤其的對(duì)夜間場(chǎng)景和強(qiáng)光下場(chǎng)景，現(xiàn)有的高清標(biāo)準(zhǔn)無法看清星光級(jí)甚至月光級(jí)的細(xì)節(jié)。故必須對(duì)整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)從采集、編碼、傳輸、解碼、顯示各個(gè)環(huán)節(jié)支持HDR和WCG才能夠還原真實(shí)世界中的細(xì)節(jié)。

　　雖然4K/8K超高清更適合用H.265進(jìn)行壓縮，但是目前來看，視頻監(jiān)控領(lǐng)域的4K攝像機(jī)占有率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1080P或者3MP攝像機(jī)的市場(chǎng)占有率。所以H.265首先會(huì)在高清和高清+的視頻領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。同時(shí)這也給H.265預(yù)留出更多的空間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化、H.265編碼器的優(yōu)化，以進(jìn)一步降低計(jì)算復(fù)雜度、提升壓縮效率。這樣的優(yōu)化工作需要通過整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈(即：標(biāo)準(zhǔn)制定+芯片設(shè)計(jì)+攝像機(jī)制造+碼流服務(wù))來完成，而不能僅僅依賴視頻監(jiān)控工業(yè)獨(dú)立完成。隨著無線傳輸基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，以及支持4K超高清的顯示大屏和顯示監(jiān)視器等設(shè)備的不斷完善，H.265編解碼，會(huì)比H.264接受的更快、更廣!