فشرده سازی H.265 : ساختارها ، موانع پیش روی و چشم انداز

فشرده سازی H.265 به عنوان یکی از مهمترین دستاوردهای فناوری سال ها است که متخصصان حوزه ی نظارت تصویری را وارد بحث های داغی نموده است. اما امروزه H.265 در حال دستیابی به پذیرش همگانی است و بسیاری از تولید کنندگان در حال عرضه ی این نوع دوربین مداربسته هستند و برخی  VMSها نیز پشتیبانی از آن را به قابلیت های خود افزوده اند. با این همه، هنوز مسائل زیادی وجود دارد که بر قابلیت رقابت و سازگاری H.265 تأثیر گذار است. در این نوشته با عنوان” فشرده سازی H.265 : ساختارها ، موانع پیش روی و چشم انداز” به مسائل زیر می پردازیم:

• مقایسه های فنی میان H.264 و H.265.
• تأثیر بر کیفیت.
• موانع پیش رو در روی آوردن به H.265.
• بررسی پشتیبانی VMS.
• عدم انطباق با ONVIF تا سال ۲۰۱۸.
• مقایسه ی ۲۶۵ و H.264 هوشمند.
• کدک های هوشمند H.265.
• نتایج آزمایش IPVM بر روی H.265.
• تأثیر H.264 بر بار CPU.
• مسائل مربوط به مجوز استفاده.
• توصیه های کاربردی.

در مجموع، اصلی ترین ادعای بازاریابی در مورد فشرده سازی H.265 کاهش الزامات بیت ریت به نصف در عین ارائه ی همان کیفیت است. برای مثال، اگر یک دوربین P1080 فریم ریت ۳۰ فریم در ثانیه ای و فشرده سازی H.264  به پهنای باند ۴ مگابیت در ثانیه نیاز داشته باشد، همان دوربین با فشرده سازی H.265  به ۲ مگابیت در ثانیه پهنای باند نیاز دارد. اما، همان گونه که در این بخش توضیح خواهیم داد، این ویژگی به تنهایی کافی نیست.

مقایسه ی فنی

سه پیشرفت ساختاری اصلی عامل محرک دست یابی به عملکرد مورد انتظار فشرده سازی H.265 است. این پشرفت ها شامل موارد زیر است:

CTU های (Coding Tree Unit) بزرگ تر به جای ماکرو بلاک ها

در حالی که حداکثر اندازه ی بلوک H.264  برابر با ۲۵۶ پیکسل (۱۶*۱۶) است، بلوک H.265 شانزده برابر بزرگتر و برابر با ۴۰۹۶ پیکسل (۶۴×۶۴) است. طرفداران H.265 می گویند که این اندازه ی بزرگ تر، به خصوص برای تصاویری با رزولوشن بالاتر، کدگذاری مؤثرتر را امکان پذیر می سازد.

دیکدینگ موازی

دیکدینگ موازی (Parallel Decoding) در H.265 به بخش های مختلف تصویر این اجازه را می دهد که به طور همزمان پردازش شوند. این قابلیت می تواند به باز پخش تصویر سرعت ببخشد و از CPUهای (Coding Tree Unit) چندهسته ای که به طور روزافزون رایج می شوند، بهره ببرد. این در حالی است که H.264 از این قابلیت پشتیبانی نمی کند.

ترکیب Clean Random Access

ترکیب Clean Random Access به H.265 اضافه شده است، که تصاویر را بدون نیاز به دیکد کردن هر تصویری که پیش تر در جریان بیت (Bitstream) ظاهر شده است دیکد می کند. همچنین این ترکیب از دستور العمل کدینگ کارآمد موقت، که به نام عملکرد Open GOP شناخته می شود، پشتیبانی می کند. این قابلیت می تواند یک مزیت عملی برای نظارت تصویری باشد. زیرا نیاز به باز پخش تصویر ضبط شده باعث تولید مکرر I فریم ها می شود. این امر می تواند تا حدودی بیت ریت را افزایش دهد.

یکی از ویژگی های برجسته ای که  H.265نیز همانند H.264 فاقد آن است، کدگذاری مقیاس پذیر است. در حالی که (همانند H.264) درباره ی یک گزینه ی برنامه ریزی شده است، اما بعید است که H.265 ویدیوی مقیاس پذیر برای حوزه ی نظارت تصویری ارائه شود. کدگذاری مقیاس پذیر مزایایی نظیر ارائه استریم ویدوئویی به کلاینت های با پهنای باند کم و صرفه جویی در فضای ذخیره سازی دارد.

بهبودهای بالقوه در کیفیت

شماری از تولید کنندگان با حرکت به سوی فشرده سازی H.265 به دنبال جذب مشتریان با شعار بهبود کیفیت تصویر هستند. اما این کار نوعی مغالطه است. H.265 ذاتا بهتر از H.264 نیست. همان طور که H.264 برتری کیفی نسبت به MPEG-4 ندارد. به همین ترتیب، اگر از پهنای باند مناسب برای به دست آوردن تصویری با کیفیت در H.264 استفاده می کنید، بعید است روی آوردن به H.265 باعث بهبود کیفیت تصویر شود. با این حال، این تغییر می تواند به کاهش بیت ریت منجر شود. تنها حالتی که این تغییر به صورت غیر مستقیم باعث بهبود کیفیت می شود حالتی است که پهنای باند H.264  در سطح پایین تنظیم شده باشد تا جزئیات قابل دید صحنه بهبود یابد. به این ترتیب، تغییر به H.265 در همان سطح پهنای باند می تواند کیفیت را بهبود دهد.

موانع حرکت به سمت فشرده سازی H.265

حرکت به سمت فشرده سازی H.265 برای صنعت دوربین مداربسته، به دلیل وجود سه مانع اصلی، چندان ساده یا آسان نبوده است:

نیاز به دوربین های مداربسته جدید

دوربین های مداربسته موجود را نمی توان خیلی ساده و از طریق به روزرسانی سخت افزار به H.265  ارتقاء داد. چرا که برای این کار معمولا به تراشه های جدید نیاز است. بدین معنا که دوربین های جدیدی باید جایگزین دوربین های قبلی شوند. این عمل درست همانند جایگزین شدن H.264  به جای MPEG-4 است.

نیاز به نسخه های جدید VMS

از آنجایی که فشرده سازی H.265  یک استاندارد جدید تر به شمار می آید، فروشندگان VMS باید از آن پشتیبانی کنند. انجام این کار به تلاش و آزمایش زیادی احتیاج دارد. به همین ترتیب، تا زمانی که  VMSها شاهد تعهد گسترده تری از سوی تولید کنندگان دوربین باشند، احتمال بروز تأخیر نیز وجود خواهد داشت.

نیاز به افزایش توان پردازشی

معادل کاهش پهنای باند افزایش توان پردازش است که این افزایش توان پردازش در منابع مختلف بین ۵۰ تا ۳۰۰ درصد ذکر شده است. از سوی دیگر کاهش الزامات پهنای باند ممکن است در واقع به کاربران نظارت تصویری نیز کمک کند. زیرا باعث کاهش حجم تبادل ورودی/خروجی می شود. در نهایت با این که همه چیز به نظر مطلوب می رسد، اما نگرانی ها و تأخیرهای قابل انتظاری برای آزمایش و اعتبارسنجی هر یک از این موضوعات وجود خواهد داشت.

افزایش پشتیبانی دوربین ها از فشرده سازی H.265

تا سال ۲۰۱۸، پشتیبانی دوربین های IP و  NVRها از فشرده سازی H.265  به شکل قابل توجهی افزایش یافته است. در این زمینه، برندهای آسیایی نظیر داهوا، هانوا، هایکویژن، یونی ویو، و دوربین مداربسته ویوتک در بسیاری از مدل های خود H.265  را ارائه داده اند. برندهای دیگر، نظیر اکسیس، دوربین مداربسته بوش و پاناسونیک نیز چند مدل را معرفی و عرضه کرده اند. اما اکثر تولید کنندگان هنوز هم از H.264  استفاده می کنند. تولید کنندگانی مانند ارکانت، اویجیلون و پلکو هنوز دوربین های H.265  را عرضه نکرده اند.

پشتیبانی VMS ها از H.265  همچنان محدود است

در جانب VMS چندین توسعه دهنده اکنون حداقل از برخی از دوربین ها با فشرده سازی H.265  پشتیبانی می کنند. اما این پشتیبانی هنوز فراگیر نشده است و کاربران مجبورند مسئله ی پشتیبانی VMS از دوربین را هنگام انتخاب مدل های مورد نظر خود بررسی کنند. وضعیت این پشتیبانی ها به شرح زیر است.

• آکسون نکست (Axxon Next): داهوا (Dahua )، هانوا (Hanwha)، هایکویژن (Hikvision)، پاناسونیک (Panasonic)، ویوتک و RTSPجنریک.
• ExacqVision: هانوا، ایلوسترا (Illustra) ، دوربین ویوتک و RTSP جنریک (Generic RTSP).
• Genetec Security Center: اکسیس، داهوا، هانوا، پاناسونیک، ویوتک.
• Milestone Xprotect: اکسیس، بوش، داهوا، هانوا، هایکویژن، پاناسونیک و ویوتک.
• Network Optix Nx Witness: هایک ویژن.
• Video Insight : پشتیبانی از مدل های فشرده سازی ۲۶۵ پاناسونیک و ادویدیا (Advidia).

عدم سازگاری با ONVIF تا زمان انتشار پروفایل T

به دلیل نحوه ی ساختاربندی پروفایل و استاندارد  ONVIFبرای پشتیبانی از فشرده سازی H.265 به یک پروفایل جدید نیاز بود این پروفایل، پروفایل T (T Profile) نام داشت و در سال ۲۰۱۸ عرضه شد. به همین دلیل، در آن زمان هیچ آزمونی درباره ی سازگاری رسمی H.265  با ONVIF انجام نشده بود. با این حال، تولید کنندگان و نمایندی دوربین مداربسته و VMS ها ممکن بود پشتیبانی از H.265  را از طریق ONVIF انجام دهند. برای مثال،Milestone XProtect در فهرست دوربین های مداربسته تحت پشتیبانی، دوربین هایH.265  سازگار با ONVIF را گنجانده است بود.

H.264 هوشمند در مقایسه باH.265

فناوری فشرده سازی H.265 تنها فناوری ارائه شده برای کاهش پهنای باند در سیستم های نظارت تصویری نیست. در حقیقت، در چند سال گذشتهبا معرفی کدک های هوشمند، کاهش قابل توجهی در پهنای باند نسبت بهH.264  استاندارد رخ داده، و به همین دلیل انگیزه ی حرکت به سویH.265  کم رنگ شده است. کدک های هوشمندH.264  نسبت به H.265 دو مزیت برجسته دارند:

1. این کدک ها برخلاف ۲۶۵، با H.264 سازگار هستند و کار می کنند و برای پشتیبانی از آنها نیازی به VMS جدید و افزایش بار محاسباتی CPU نیست.
2. ۲۶۴ هوشمند، با بازه ی پویای I فریم می تواند مصرف پهنای باند را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. در حالی که H.265 غیرهوشمند فاقد این ویژگی است. در آزمایشی که بر روی کدک هوشمند زیپ استریم اکسیس انجام شده، مشخص شد که صرفه جویی در پهنای باند در آن بسیار بیشتر از ادعاهایی است که برای بازاریابی H.265 غیرهوشمند مطرح می شود.

ترکیب H.265 با کدک های هوشمند

به دلایلی که گفته شد، هر روز از تعداد دوربین های مداربسته H.265 غیرهوشمند کاسته می شود و به جای آن تولید کنندگان به سمت H.265 همراه با کدک های هوشمند پیش می روند. از آن جمله می توان به +H.265 هایکویژن، H.265 با وایزاستریم (Wise Stream) هانوا، H.265 و اسمارت استریم Smart Stream II ویوتک (دوربین مداربسته VIVOTEK) اشاره کرد. این ترکیب ها بهبود جزئی به همراه داشته اند، که به اندازه ی کاهش پهنای باند بین خاموش و روشن بودن کدک هوشمند H.264 قابل توجه نیست. با این حال، به نظر می رسد که این ترکیب برای رسیدن به کمترین بیت ریت مطلق در آینده به تکامل برسد.

نتایج آزمایش H.265

دوربین هایH.265  در آزمایش های ابتدایی در زمینه ی بهبود پهنای باند و صرفه جویی در فضای ذخیره سازی برتری محسوسی نسبت به دوربین های H.264  معمولی نداشتند. به طوری که کدک های هوشمندH.264  در این زمینه بهتر از H.265 معمولی عمل کردند. با وجود این، در آزمایش های اخیر بر روی دوربین هایی نظیر هانوا Wisenet X که به طور کلی متعلق به نسل دوم دوربین های H.265  هانوا است، بیت ریت در H.265  هوشمند، هم در همان دوربین و هم در دوربین های رقیب، به میزان قابل توجهی پایین تر ازH.264  هوشمند بود.

با بلوغ فشرده سازی H.265و در دسترس قرار گرفتن نسل بعدی تراشه ها، این کدک همانند پیشرفت هایی که H.264 در طول زمان داشته است، می تواند به سمت پیشرفت حرکت کند.

تأثیر بر روی بارگذاری CPU

در آزمایش ها مشخص شده است کهH.265  به توان پردازشی به مراتب بیشتری نیاز دارد و معمولا دو برابر بیشتر از استریم هایH.264  بارگذاری بر روی CPU دارد. به همین دلیل، کاربران باید بسیار دقت کنند تا  CPUهای مناسبی را برای دستگاه های کلاینت انتخاب کنند. زیرا استفاده از سیستم های مشابه با سیستم های H.264  ممکن است ناکافی باشد. برای مثال، از گزارش آزمایش بر روی کدک +H.265  هایک ویژن، استریم های H.265، هم در تصویربرداری روز و هم در شب، نسبت به H.264  بیش از دو برابر بارگذاری بیشتر بر روی پردازنده داشتند.

به این مسئله این موضوع را نیز اضافه کنید که به رغم متداول شدن دیکدینگ سخت افزاری یا دیکدینگ GPU در چند سال گذشته، بسیاری از GPU ها از دیکدینگ سخت افزاری H.265 پشتیبانی نمی کنند. به همین دلیل، در حالی که هنگام استفاده از H.264، با برداشتن بار از دوش GPU می توان بار را کاهش داد، این تنظیمات بر روی H.265 تأثیری ندارند. این مسئله در تصویر زیر نشان داده شده است.

H.265  مشکلات مربوط به لایسنس

فشرده سازی H.265مشکل جدیدی را برای تولید کنندگان ایجاد کرده است و آن لایسنس است. برخلاف H.264، که تنها یک دارنده ی حق امتیاز (MPEG LA) داشت،H.265  توسط بیش از ۱۰۰۰ حق امتیاز که در دست چندین گروه هستند، تحت پوشش قرار می گیرند. به همین دلیل، در میان تولید کنندگان این سر در گمی وجود دارد که باید از کدام گروه برای محصولات خود لایسنس بگیرند. در نتیجه، تعدادی از تولید کنندگان دوربین مداربسته و توسعه دهندگان VMS به طور کلی برای محصولات خود لایسنس نگرفته اند. برای اطلاعات بیشتر به تصویر زیر توجه کنید.

توصیه های کاربردی در مورد فشرده سازی H.265

بر مبنای تمام عوامل گفته شده، توصیه می کنیم:

• از فشرده سازی ۲۶۵ فقط با کدک های هوشمند استفاده کنید. از استفاده از H.265 بدون کدک های هوشمند اجتناب کنید. زیرا فشرده سازی H.265 بدون کدک های هوشمند مصرف پهنای باند بیشتری نسبت به H.264 با کدک های هوشمند دارد. علاوه بر این،H.265 دارای مشکلاتی نظیر پشتیبانی کمتر از سوی VMSها و بارگذاری بالاتر بر روی CPU هنگام دیکدینگ است. این مسائل درH.264  وجود ندارد.
• اطمینان حاصل کنید که دوربین های۲۶۵ هوشمند مورد نظرتان با  VMS و  NVRکه انتخاب کرده اید سازگار هستند. امروزه هنوز بسیاری از ترکیبات نمی توانند با هم کار کنند و این امر می تواند مشکلات جدی به وجود آورد.
• تأیید کنید که توان پردازشی کافی در هر دو سمت (سمت سرور ضبط و سمت کلاینت) وجود دارد. تا تضمین شود که کلاینت دارای منابع کافی برای دیکدینگ و نمایش ۲۶۵ است. بدون اینکه فریم با کیفیت تصویر از دست برود.

نکته: این مطلب ابتدا در سال ۲۰۱۳ نوشته شد، اما در سالهای ۲۰۱۶ و ۲۰۱۷ به میزان قابل توجهی بازنویسی شده است تا منعکس کننده ی پیشرفت ها و تغییرات در بخش پشتیبانی و عملکرد H.265 باشد.