Кодек H.265 в системах видеонаблюдения

Сегодня на H.264 приходится львиная доля всего видео, записываемого камерами видеонаблюдения. Однако этот стандарт не был рассчитан на обработку видео высокого разрешения, в частности Ultra-HD. Высокоэффективный стандарт кодирования видео (High Efficiency Video Coding, HEVC), более известный как H.265, позволяет вдвое увеличить степень сжатия файлов. При этом наибольшая экономия пропускной способнос ти и емкости хранения достигается при сжатии видео с разрешением 4K+: если в случае видео 1080p (HD) она составляет около 25%, то для 4K+ достигает 75%.

H.265 разрабатывался в расчете на применение в потребительской электронике, но, благодаря преимуществам в эффективности сжатия, он с большим успехом может использоваться и в системах физической защиты, где все время приходится искать компромисс: с одной стороны, картинка должна быть как можно более качественной (в конце концов, в видеозаписи мало смысла, если невозможно разглядеть детали), с другой — затраты на инфраструктуру для передачи и хранения видео необходимо минимизировать.

Разрешение 4K многократно повышает требования к пропускной способности каналов и емкости хранения, а ограничение скорости потока при сохранении качества изображения представляет собой серьезную техническую проблему. H.265 обещает найти выход из этой противоречивой ситуации. Новый кодек обратно совместим с предыдущим, что должно облегчить переход на него с H.264.

Однако широкому применению H.265 препятствует ряд проблем — как присущих самому протоколу, так и внешних по отношению к нему. Если высокие требования к вычислительной мощности процессоров и обусловленная этим обстоятельством высокая цена оборудования со временем становятся не столь критичны в результате развития процессоров и роста продаж, то неопределенность в вопросах лицензирования порождает непредсказуемые риски. К тому же в скором времени H.265 может столкнуться с конкуренцией со стороны альтернативных кодеков — как открытых, так и проприетарных.

ЧЕМ H.265 ЛУЧШЕ H.264

В H.265 используется тот же принцип сжатия, что и в H.264. В случае фиксированной камеры фоновое изображение меняется не часто, поэтому достаточно передавать только изменения — движущиеся объекты. Это позволяет значительно уменьшить требования к пропускной способности канала и емкости хранения.

IP-камеры сначала снимают необработанное видео в соответствии с заданным режимом записи, а после обработки изображения кодируют его. Основное преимущество в степени сжатия достигается за счет улучшения прогнозирования с компенсацией движения. В то время как у H.264 максимальный размер блока составляет 16×16 пикселей, H.265 использует при обработке информации макроблоки дерева кодирования (Coding Tree Unit, CTU) размером до 64×64 пикселей. Такие блоки более эффективны для кодирования кадров больших размеров и при этом позволяют более точно передавать видео 4K+.

Помимо изменения размера блока, H.265 отличается наличием улучшенного сглаживающего фильтра для устранения нестыковок на границах блоков (deblocking filter). Кроме того, используется новый алгоритм прогнозирования вектора движения (Motion Vector Predictor, MVP) для улучшения прогнозирования внутри кадра. Более высокая точность предсказаний достигается, помимо прочего, благодаря тому, что в пределах кадра вместо 8 возможных направлений, как обеспечивается в H.264, рассматривается 36.

Для ускорения вычислений в кодеке предусмотрена возможность параллельной обработки за счет поддержки расширенного набора инструкций AVX/AVX2 для процессоров Intel/AMD. Квадратные области, на которые разбивается изображение, независимы одна от другой, так что их обработка может выполняться параллельно. Кроме того, H.265 поддерживает волновую параллельную обработку (Wavefront Parallelel Processing, WPP): своеобразное дерево принятия решений, способствующее повышению производительности сжатия. Тем не менее для его реализации необходим на порядок более мощный процессор, что является одним из его существенных недостатков.

ПОДВОДНЫЕ КАМНИ H.265

Стандарт H.265, как отмечалось, более требователен к ресурсам, чем H.264. Это означает, в частности, что без использования новых камер не обойтись: ограничиться заменой прошивки не удастся, так как оборудование предыдущего поколения не обладает необходимой процессорной мощностью для поддержки H.265. Выделенное оборудование понадобится и для декодирования. Справедливости ради стоит сказать, что для декомпрессии требуется значительно меньше вычислительных ресурсов.

Для (де)кодирования видео в формат H.265 можно использовать даже бесплатное программное обеспечение, например VideoLAN, но оборудование позволяет делать это намного эффективнее. В некоторых VMS для разгрузки центрального процессора поддерживается интеграция с GPU для работы с H.265, поэтому можно не приобретать отдельный NVR, а установить мощную графическую карту в сервер. Это позволит обрабатывать больший объем видео на компьютере и удешевить решение (хотя, после того как майнеры начали активно скупать видеокарты, цены на них возросли и выгода может оказаться не такой явной).езусловно, ресурсоемкое оборудование с поддержкой H.265 оказывается дороже. При этом долгое время предложение соответствующих камер было весьма ограниченным, а в VMS стандарт не поддерживался вовсе. Ситуация начала меняться лишь в 2016 году, и теперь модели камер с поддержкой H.265 имеются у всех ведущих производителей. А с расширением рынка — появлением массового спроса — можно ожидать и дальнейшего снижения цен.

Однако на пути распространения H.265 имеется одно серьезное препятствие — запутанная ситуация с лицензированием, и в последнее время она только усугубилась. HEVC содержит десятки, а то и сотни патентованных технологий. То же самое справедливо в отношении любого MPEG-кодека, но, например, всех держателей патентов для H.264 представляет одно доверенное лицо — компания MPEG-LA. В случае H.265 она выражает интересы только части патентодержателей, остальные объединены в два конкурирующих пула. Помимо этого, свои патенты есть у Technicolor SA, которая не входит ни в один из пулов.

В принципе, проблемы лицензирования H.265 напрямую затрагивают лишь поставщиков видеоконтента, таких как Google, Amazon, Netflix, но не производителей оборудования для видеонаблюдения, которые не извлекают прибыли из трансляции видео с камер. Однако здесь есть одна потенциальная проблема. В случае облачных решений видеонаблюдения Video Surveillance as a Service (VSaaS) провайдер предоставляет клиентам доступ к генерируемому камерами видео по требованию. Это может рассматриваться как использование H.265 для извлечения прибыли, и обладатели патентов могут потребовать лицензионных отчислений. Так что в вопросах применения H.265 многое зависит от развития ситуации на смежных рынках. И это не только вопрос лицензирования.

АЛЬТЕРНАТИВЫ H.265

Один из пулов держателей лицензий — HEVC Advance — отдает предпочтение лицензионной модели, предполагающей отчисления с доходов, получаемых за контент, который был «создан любым устройством с поддержкой H.265». Это намерение вызвало резко негативную реакцию со стороны крупнейших провайдеров контента, и они объединились в Alliance for Open Media с целью разработки альтернативы H.265.

В состав альянса вошли компании Adobe, Amazon, Google, Intel, Microsoft, Netflix. Разрабатываемый ими кодек AV1 должен появиться в феврале текущего года, а оборудование для декодирования AV1 — во второй половине следующего. AV1 базируется на кодеке VP9, который предложила Google, и заимствует инструменты кодирования из других кодеков с открытым исходным кодом, в частности VP10 от Google, Thor от Cisco и Daala от Mozilla/Xiph.org.

У AV1 требования к вычислительным ресурсам выше, чем у HEVC. Согласно ежегодному исследованию лаборатории компьютерной графики и мультимедиа МГУ, этот кодек превосходит по качеству HEVC и VP9, радикально уступая им в скорости кодирования. Главным же преимуществом AV1 является отсутствие лицензионных платежей, но без оптимизации он вряд ли будет пригоден для практического использования. Впрочем, если альянс сдержит свои обещания, ждать появления финальной версии совсем недолго.

Тем временем Международная организация по стандартизации ISO и международный союз отрасли электросвязи разрабатывают еще один кодек — JEM. Как утверждается, он будет значительно эффективнее, чем HEVC (более чем на 25%) и при этом не таким ресурсоемким, как H.265. Правда, его принятие ожидается только в 2020 году.

Ряд вендоров, такие как Axis, HikVision, Samsung, разрабатывают собственные модификации H.264 и H.265. Так, например, технология ZipStream компании Axis обеспечивает экономию трафика в диапазоне от 30 до 70% по сравнению с H.264, то есть в этом отношении она не уступает H.265. ZipStream представляет собой надстройку над H.264, и для его реализации не требуется какой-либо адаптации инфраструктуры. Более того, ZipStream может с тем же успехом использоваться и поверх H.265, и Axis уже выпустила камеры H.265 с реализацией этой технологии.

«Оценки экономии трафика в 50% для H.265 даются для идеальных условий и для других применений, таких как трансляция контента в мультимедийных приложениях, — поясняет Денис Ляпин, технический тренер в Рoссии, СНГ и Вoстoчнoй Еврoпе Axis Communications. — В случае же видеонаблюдения с учетом реальных условий, таких как контровая засветка, зашумленность изображения и т. п., такая степень сжатия вряд ли достижима». Как показывают тесты Fraunhofer Heinrich Hertz Institute, разработчика H.264, HEVC обеспечивает в действительности снижение пропускной способности лишь на 38% при аналогичном качестве изображения.

HikVision адаптировала H.265 с учетом области применения (напомним, что HEVC не разрабатывался специально для видеонаблюдения). Согласно заявлениям компании, модификация H.265+ позволяет сократить скорость передачи еще на 67% (по сравнению с H.265) при передаче видео Ultra HD.

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Как бы то ни было, HEVC получил уже достаточно широкое распространение на потребительском рынке. В прошлом году он был реализован Apple, и теперь все новые iPhone — и многие смартфоны на базе Android — могут декодировать HEVC вплоть до UHD. Новые телевизоры тоже имеют встроенную поддержку HEVC. Так что вопрос скорее за широким применением H.265 в решениях для бизнеса.

Впрочем, если запутанные лицензионные вопросы не будут разрешены, ситуация может развернуться в пользу открытых стандартов, таких как AV1. (Вряд ли пользователи обрадуются, если их будут привлекать к суду за применение нелицензированных продуктов, — а такие прецеденты имели место, когда вместо производителей привлекают к ответственности пользователей.) Поскольку в начале года в состав участников Alliance for Open Media неожиданно вошла компания Apple, с принятием стандарта можно ожидать появления AV1 на iPhone.

Что касается рынка систем видеонаблюдения, проблемы с лицензированием затрагивают его лишь опосредованно. Тем не менее ONVIF разрабатывает новый видеопрофиль, Profile T, таким образом, чтобы он не был привязан к формату сжатия. Иначе говоря, он будет способен поддерживать не только H.265, но и любые форматы сжатия видео и аудио, которые могут появиться позже.

Несмотря на то что H.264 присутствует на рынке более 10 лет, он по-прежнему остается актуальным для большинства применений. IP-камеры с поддержкой H.265 ориентированы на поддержку видео с разрешением UHD, так что в полной мере их возможности можно задействовать, когда требуется контролировать большие открытые пространства: строительные площадки, автостоянки, складские дворы и т. п. Для мониторинга более ограниченных площадей вполне достаточно камер H.264, поскольку разрешение 440p/1080p позволяет разглядеть черты лица, регистрационный номер автомобиля и многое другое.

Даже если для большинства задач немедленная модернизация системы видеонаблюдения не нужна, камеры UHD, становясь более доступными, будут применяться все шире. Поэтому задуматься о перспективах надо заранее: загодя готовить инфраструктуру в расчете на поддержку H.265 или другого наследника H.264