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H.265在轨道交通安防的应用及价值

作者:匿名   2018-03-10 22:10:08


在视频监控应用产业链的快速发展中,视频应用一直遵循着不断向更高清晰度、更高帧率、更高压缩率方向发展的趋势。视频编码技术H.26L最早在1997年被提出,被誉为高度压缩数字视频编码器标准,这个标准现在通常被称之为H.264/MPEG-4 AVC,简称之为H.264 。通过该标准,在同等图象质量下的压缩效率比以前的标准提高了两倍以上,凭借其优秀的编码性能,连续提供流畅的高质量图像,以及在不稳定环境下超强的容错率,在过去十年里席卷全球,渗透进了每一个音视频领域,与此同时,不可或缺地福泽到安防行业。同时随着视频流网络传输技术的应用,网络高清监控开始高速发展,画质、清晰度迅速更新换代,几年前还在为监控室展现出来的720P画面津津乐道,而今1080P已然垄断网络监控的时代,并普及到了大街小巷每个角落。
 
  伴随着技术的发展,对超清画质的追求也使得安防行业目光的焦点投向了4K。4K液晶显示器在各大品牌陆续推出,安防厂家也陆续推出了前端4K摄像机和后端4K网络硬盘录像机,HDMI的传输协议也支持到4K,这样看来,4K的监控体系已经配套成型,整装待发。然而问题来了,4K画面在H.264编码技术下动辄16Mbps的大码流,在如今各行业应用中还要面临带宽、存储、能耗和实时性的苛刻要求,于是,更高效的压缩技术标准在千呼万唤中应时而生——H.265/HEVC标准。
 
  二、H.265编码技术介绍
 
  2013年国际电信联盟ITU正式批准通过了H.265/HEVC标准,,标准全称为高效视频编码(High EfficiencyVideo Coding),在相同的图像质量下,相比于H.264,H.265编码的视频流大小将减少30~50%。
 
  1、H.265(HEVC)的技术亮点
 
  作为新一代视频编码标准,HEVC(H.265)仍然属于预测加变换的混合编码框架。然而,相对于H.264,H.265 在很多方面有了革命性的变化。其中最终要的就是采用了灵活的编码结构。
 
  在H.265中,将宏块的大小从H.264的16x16扩展到了64x64,以便于高分辨率视频的压缩。同时,采用了更加灵活的编码结构来提高编码效率,包括编码单元(Coding Unit)、预测单元(Predict Unit)和变换单元(Transform Unit)。如图所示:
 

图1 编码单元(CU)、预测单元(PU)、变换单元(CU)
 
  其中编码单元类似于H.264/AVC中的宏块的概念,用于编码的过程,预测单元是进行预测的基本单元,变换单元是进行变换和量化的基本单元。这三个单元的分离,使得变换、预测和编码各个处理环节更加灵活,也有利于各环节的划分更加符合视频图像的纹理特征,有利于各个单元更优化的完成各自的功能。
 
  以下图为例,左图是传统的H.264标准,每个宏块大小都是固定的;右图是H.265标准,编码单元大小是根据区域信息量来决定的。
 

图2 H.264与H.265宏块切割的区别
 
  以往H.264会以16 x 16像素为单位(或是16 x 8、8 x 8、8 x 4、4 x 4等配置),将画面切割为数个大小相同的巨区块,并以这些巨区块做为编码时的最小元素。H.265则是将切割画面的工作从使用者手动设定,转交给编码器来决定,让编码器可视情况以16x16、32 x 32、64 x 64等尺寸,将画面切割为数个编码树单元,一般来说区块尺寸越大,压缩效率就会越好。
 
  正是通过一系列的优化,H.265的视频编码压缩技术能够让相同的的画面及质量的视频文件容量大小缩减一半,所占用的带宽也能缩减一半,为有限的网络带宽提供了更完美的视频压缩解决方案。在相同的视频画面下,通过H.265编码的视频大小,相较于H.264编码,视频流大小节省了30%~50%。如此一来,4K视频码流原来需要16Mbps,基于H.265的技术编码后,4K视频码流仅需8Mbps。而原来在网络高清系统中广泛使用的1080P码流,也从原来的4~6Mbps,通过H.265编码压缩,降为2~3Mbps。这意味着随着MMIS车地无线系统在上海轨道交通的建设,100Mbps的带宽可以满足同时传输最大30-40路车载视频,满足地面实时浏览车载视频监控的需求。
 
  IEEE的测试中,以9段影片进行测试 H.265 的编码表现,最优样本节省流量达到66.6%,表现最差的样本,节省流量也接近30%,平均值达到49.3%。同时,H.265支持 4K(4096×2160)和 8K(8192×4320)像素的超高清视频。 4K 视频的数据量是高清的 4~8 倍,需要更高效率的压缩编码算法,而 H.265 的编码效率是 H.264 的两倍,可以很好的满足 4K 视频的编码需求,节省存储资源。
 

图3 H.265与H.264码流带宽比较
 
  在轨道交通视频监控应用中,随着2015年12月27日第十二届全国人民代表大会常务委员会第十八次会议通过《反恐怖主义法》,其中第三十二条明确规定:“重点目标的管理单位应当建立公共安全视频图像信息系统值班监看、信息保存使用、运行维护等管理制度,保障相关系统正常运行。采集的视频图像信息保存期限不得少于九十日。”其中须履行的场所包含了政府机构、银行、城市大型活动场所、机场、火车站、城市轨道交通站等重点目标,其视频录像由30天以上须调整为90天以上,这对于轨道交通视频监控系统的建设投入提出了更高的需求。以上海为例,目前采用H.264编码的1080P/25帧视频,以一个站平均100个点位,存储90天计算,需要372T硬盘容纳容量,若采用H.265编码,则存储设备的投入可以减少到一半。
 
  目前各大视频监控厂商均已推出了成熟的H.265产品。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IPC、NVR、解码器,以及带有解码显示的平台软件。其关键在于使用码芯片的ASIC或者硬件加速单元进行硬编码和硬解码。目前业界主流的芯片厂商如海思、安霸、高通、SONY、NVIDIA、Intel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。而基于H.265的IPC、NVR、平台等等产品形态已经成为行业标配。
 
  三、H.265技术在上海轨道交通的应用
 
  目前上海轨道交通高清视频监控系统的技术架构通过IP网络进行传输,以GB-28181 SIP协议为平台间控制协议,ONVIF为前端设备接入协议,H.264为编码协议。由于H.265是作为H.264的迭代升级,因此升级和过渡仅需进行对应编解码设备以及控制协议的升级即可,是一种平滑、低代价的升级。GB-28181《公共安全食品监控联网系统-信息传输、交换、控制技术要求》正在修编过程中,其中增加了H.265统一编码规定,同时也对控制协议进行了相应的扩展。而ONVIF(Open Network Video Interface Forum)也于2017年7月公布了Profile T的规范草案,草案对先进流媒体功能进行了支持,包括支持H.265视频压缩标准以及扩展功能集,扩展了系统集成商和终端用户的ONVIF视频配置的功能。这使得上海轨道交通视频监控系统引入H.265视频压缩标准时在控制协议上仅需将现有控制协议进行升级迭代即可。
 
  四、结论
 
  H.265编码技术的应用在目前安防监控的带宽需求、存储需求日趋增加的背景下,能够以一种更加高效和节约的方式推动安防监控迈向更清晰,更智能的新篇章。而其对前任H.264在系统架构上的继承也使得用户能够以最小的代价进行技术升级。上海轨道交通目前具备升级到H.265的能力,同时随着存储90天、地面实时浏览车载视频监控系统甚至移动视频监控等需求的增加,也有进行技术升级的需求。
 
  专题作者:上海申通地铁集团有限公司技术中心周明;特别声明 :转载者须注明作者、单位及文章来源
文章链接:中国安防展览网 http://www.afzhan.com/tech_news/detail/244668.html