施蔚然 高 攀 袁 偉

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H.265視頻編碼技術在天氣實景觀測系統(tǒng)的應用

施蔚然 高 攀 袁 偉

福建省氣象信息中心

在視頻監(jiān)控產(chǎn)品經(jīng)歷了模擬時代、數(shù)字時代、網(wǎng)絡時代的發(fā)展過程后，現(xiàn)今已經(jīng)進入了高清時代，用戶對視頻監(jiān)控產(chǎn)品的要求也在不斷提高，給現(xiàn)有視頻壓縮標準帶來了越來越大的碼流挑戰(zhàn)。該文對H.265視頻編碼的關鍵技術進行介紹，在天氣實景觀測系統(tǒng)中采用1080p高清球機和最新的H.265編碼技術，并與H.264編碼視頻進行對比分析，實現(xiàn)在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡視頻和節(jié)省存儲空間。

H.264 H.265 高清視頻 實景觀測 視頻編碼

1 概述

隨著多媒體技術、數(shù)字圖像處理及網(wǎng)絡傳輸?shù)燃夹g的發(fā)展，視頻監(jiān)控進入高清時代，模擬攝像機已無法滿足氣象部門全天候天氣實況監(jiān)測的需求，高清攝像機的應用實現(xiàn)了對天氣實況、氣象探測環(huán)境和天氣過程實時觀測的需求，尤其在災害性天氣來臨時，為預報和公共氣象服務部門提供及時服務。

視頻編碼是各類視頻應用的核心，面對視頻應用多樣化和高清化的挑戰(zhàn)，“高清”給現(xiàn)有視頻壓縮標準帶來了越來越大的碼流挑戰(zhàn)。“高清”最早來源于數(shù)字電視領域，美國電影電視工程師協(xié)會提出了高清電視（HDTV）標準，分辨率需達到720p以上。H.264是ITU-T和ISO兩個組織聯(lián)合組建發(fā)布，是一套數(shù)字視頻編解碼標準，也稱作MPEG-4 AVC(Advanced Video Codec，高級視頻編碼)，因其可以得到比之前其他編碼標準更高的視頻質(zhì)量和更低的碼率，而得到了人們的認可，被廣泛應用于網(wǎng)絡流媒體數(shù)據(jù)、各種高清晰度電視廣播以及衛(wèi)星電視廣播等領域。國際標準化組織于2013年發(fā)布了新一代視頻編碼標準H.265/HEVC，標準全稱為高效視頻編碼(High Efficiency Video Coding)，從編碼框架上來說，H.265仍然沿用了H.264的混合編碼框架，保留原來的某些技術，同時對一些相關的技術加以改進，以提高圖像分辨率、降低帶寬需求和節(jié)省存儲空間。

2 H.265標準介紹

2.1 編碼單位

H.264中，每個宏塊(marcoblock，MB)大小都是固定的16×16像素，在更高分辨率下，單個宏塊所表示的圖像內(nèi)容信息大大減少，導致對高清視頻的壓縮效率明顯降低； H.265/HEVC編碼單位可以選擇從最小的8×8到最大的64×64。信息量不多的區(qū)域(顏色變化不明顯，比如天空的灰色部分)劃分的宏塊較大，編碼后的碼字較少，而細節(jié)多的地方(細節(jié)變化較多，比如大樓部分)劃分的宏塊就相應小和多一些，編碼后的碼字較多，這樣就相當于對圖像進行了有重點的編碼，這個過程在H.265上可以自適應識別實現(xiàn)，從而降低了整體的碼率，提高了編碼效率。

2.2 幀預測編碼

由于分辨率的提高，表示同一個運動的運動矢量幅值也將大大增加，H.264編碼方式中用來對運動矢量進行預測以及編碼的壓縮率也將逐漸降低。H.265的幀內(nèi)預測模式支持33種方向(H.264只支持8種)，并且提供了更好的運動補償處理和矢量預測方法；還引入了全新的SAO(Sample Adaptive Offset)參考幀補償技術，從而提高幀間預測的準確度。

2.3 運算量

壓縮率較高的編碼技術往往要求計算復雜度越高，對設備的運算處理能力也要求越高。H.265編碼壓縮效率比H.264提高1倍，其代價是計算量的成倍增加，要求設備的計算能力更高。H.265編碼需要增加較多的編碼模式，并從中擇優(yōu)選取，增加了運算量；64×64像素圖像塊的保存需要更多的緩沖區(qū)；在運動補償、變換量化、采樣自適應濾波等方面的改進，也需要更多的硬件資源。但是針對H.265的更高效算法以及硬件處理技術的不斷進步，可以有效控制和降低運算復雜度。在并行實現(xiàn)方面，H.265也采用了WPP (Wavefront Parallel Processing)和Tile技術，能夠充分發(fā)揮當前主流處理器的多核并行能力，有效提高壓縮性能。

2.4 編碼壓縮

H.265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(qū)域的壓縮能力，可以在同樣的圖像質(zhì)量下，大幅降低壓縮碼率。圖1是以標準測試序列Kristen and Sara（720P60）和Kimono1（1080P24）所得的結(jié)果，圖中橫坐標表示碼率，縱坐標表示峰值信噪比(PSNR)，圖像客觀質(zhì)量指標，各條曲線為各種常見的視頻壓縮標準。

根據(jù)測試，在1080P分辨率下，H.265相比H.264碼率降低一半左右，并且分辨率越高，優(yōu)勢越顯著。通過圖片和實時視頻的質(zhì)量比較測試表明，在相同的圖象質(zhì)量下，相比于H.264，通過H.265編碼的視頻大小將減少大約39%～44%。由于質(zhì)量控制的測定方法不同，這個數(shù)據(jù)也會有相應的變化。以目前主流的分辨率為例，在1080p分辨率下，H.265相比H.264碼率降低40%～50%，在720p下降低30%～40%，這也就意味著，H.264標準下，1080p需要4M以上的碼率來保證圖像質(zhì)量，若采用H.265視頻壓縮標準，則1080p僅需1~2M左右碼流。此外，隨著分辨率的提升，H.265碼率也會降低更多。

3 H.265高清視頻編碼技術應用

3.1 系統(tǒng)架構

天氣實景觀測系統(tǒng)由前端高清球機、CVR存儲、高清解碼器和監(jiān)控管理平臺等設備組成。借助已建的省、市、縣氣象寬帶專網(wǎng)，實現(xiàn)集中式管理與分布式部署相結(jié)合的系統(tǒng)架構。

前端采用1080P高清球機和最新H.265編碼技術，實現(xiàn)實時視頻、圖像抓拍和視頻錄像；通過解碼器將前端網(wǎng)絡視頻信號解碼輸出上電視墻，實現(xiàn)省級和分中心的天氣實況視頻單畫面和多畫面實時圖像瀏覽；通過監(jiān)控管理平臺實現(xiàn)對前端設備、分控中心、總控中心的集中監(jiān)控和管理。

圖2 流媒體存儲轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

CVR ( Cloud Video Recorder ) 視頻云存儲設備是集編碼設備管理、錄像管理、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能為一體的視頻專用存儲設備。即把錄像功能和播放功能嵌入到存儲設備中，實現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)流直接寫入存儲，或通過流媒體轉(zhuǎn)發(fā)寫入存儲。平臺和客戶端可以直接從存儲中點播、下載。

3.2 系統(tǒng)功能

監(jiān)控管理平臺支持C/S和B/S架構，提供圖形化管理界面。通過客戶端和瀏覽器可以實時預覽前端氣象觀測站的天氣實況，對攝像頭進行遠程云臺控制，實時視頻、定時圖像抓拍、視頻存儲和查詢；通過設置預置點功能，實現(xiàn)攝像機按需自動轉(zhuǎn)到預置點；支持多畫面設置、全屏顯示、圖像抓拍、輪巡監(jiān)控、局部放大、中心定位等。系統(tǒng)提供遠程訪問功能，管理人員可根據(jù)不同的權限對系統(tǒng)進行配置及監(jiān)控，可對前端設備進行參數(shù)設置、遠程維護等功能，提高設備維護效率。

為了實現(xiàn)集約高效的管理，系統(tǒng)平臺具有較好的兼容性，以視頻監(jiān)控系統(tǒng)為核心，同時把氣象觀測要素、安全防范等系統(tǒng)整合進來，并把各系統(tǒng)有限關聯(lián)起來，增加系統(tǒng)的集約性和高效性，實現(xiàn)集中控制的目的。

將氣象觀測儀器采集的溫度、氣壓、濕度、雨量、風向、風速等傳感器信號或信息接入系統(tǒng)，可實現(xiàn)氣象信息在實時畫面的直觀展示，便于用戶及時對當?shù)氐奶鞖馇闆r有定量和定性的了解；同時通過手機APP軟件，用戶可以實現(xiàn)對臺站天氣實況視頻的隨時隨地瀏覽。

3.3 兩種編碼視頻效果對比

設置前端攝像機傳輸碼流，1920×1080(HD1080P)，H.265編碼，采用變碼率，視頻碼流上限(Mb)=2048，存儲≈19.0G/天，視頻圖像見圖3，占用存儲空間見圖5。

設置前端攝像機傳輸碼流，1920×1080(HD1080P)，H.264編碼，采用變碼率，視頻碼流上限(Mb)=4096，存儲≈23.9G/天，視頻圖像見圖4，占用存儲空間見圖5。

通過主觀視覺的反復測試顯示，在碼率減少的情況下，H.265編碼視頻的質(zhì)量比H.264編碼視頻質(zhì)量更好，即視頻信噪比更好。

圖3 H.265視頻截圖

圖4 H.264視頻截圖

圖5 H.265/ H.264視頻錄像占用存儲空間對比

4 結(jié)語

作為新一代的視頻壓縮技術，H.265使用先進的視頻編碼技術用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時和算法復雜度，相比之前的歷代標準，可以在同樣的圖像質(zhì)量下，大幅降低壓縮碼率，僅需1~2M的帶寬即可播放1080P全高清視頻；此外，H.265在對網(wǎng)絡的適應性方面也有顯著提升，可很好地運行在Internet等復雜網(wǎng)絡條件下，這也使得H.265成為當下“最強”視頻壓縮技術。由于H.265標準是在H.264標準的基礎之上逐步發(fā)展起來，可向下兼容H.264。

隨著視頻壓縮率的提高，全高清視頻網(wǎng)絡播放將不再困難，尤其在通信帶寬有限的衛(wèi)星視頻終端、智能手機、平板等移動設備能直接在線播放1080p的全高清視頻；顯示屏高分辨率化，也使H.265將是超高清視頻4k/8k電視的選擇。隨著H.265視頻編碼技術與互聯(lián)網(wǎng)、視頻通信、影音娛樂等的進一步融合，H.265標準在未來幾年將成為主流，具有廣闊的應用前景。

[1] 萬帥，楊付正. 新一代高效視頻編碼H.265/HEVC：原理、標準與實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

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[3] Jens-Rainer Ohm, Gary J. Sullivan, H Schwarz, et al. Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards——Including High Efficiency Video Coding (HEVC)[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems for Video Technology, 2012, 22(22): 1669-1684.

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