1M 码流看高清 U-Code 技术的发展及应用

刘洋

“工欲善其事，必先利其器”，规模化的产品市场应用及推广，永远也离不开对产品自身品质的执着，对变化中的用户需求的把握，对引领行业技术浪潮的决心，以及对极致用户体验的追求。在这一过程中，企业比拼的是眼光、执行力和毅力——谁更接近用户的需求痛点，谁更高效地将策略进行落地，谁多坚持了一口气，多做了一分，谁就有可能获取市场认可，获取用户口碑，进而成为激烈竞争下的胜利者。更进一步，产品在不断升级迭代的过程中，经常会遇到令研发“进退两难”的市场需求：于技术而言处于“鱼与熊掌”两端，而于用户而言却要“二者兼得”。如何取舍，如何兼顾，如何打破此种困境进而树立一个新的行业技术亮点，成为了企业所面临的难题和挑战，却又成为了新的机遇。

U-Code 的诞生背景

从传统的闭路电视到全IP 监控，从标清到高清再到超清，数字化浪潮中人们不断追求更清晰和更真实的画面细节，但是基于此而带来的高带宽、高存储空间要求，却困扰着众多用户对高视频质量需求的落地。

于是，随着视频监控市场空间不断扩大，产品序列不断扩展丰富，人们开始面临一种新的烦恼：监控设备增长与存储增长的差异化需求。若是以单监控设备存储为例，存储普通720P监控（2M 带宽）大约一天需要占用存储资源23GB，一块3T 硬盘基本可以满足121 台设备的存储要求，看上去似乎非常令人满意。但是实际上，受限于视频管理服务器的接入性能，专业存储设备的硬盘数量，存储方案的选择（RAID 方案），每次扩展视频监控前端都会受制于系统存储扩容的能力。而随着系统的不断扩容，存储速率、数据管理能力、大数据应用等等又对整个系统架构提出了更新更高的要求。

那么，如何能在不损失画面质量的基础上，降低设备的存储资源损耗，进而延长存储时间呢？

多地复杂环境下采用统一标准，对星光效果、低码率同带宽下画质、易用性、兼容性等进行测试。右图为业界H.265 编码摄像机拍摄、左图为宇视U-Code 技术拍摄

U-Code 的诞生背景

解决这个问题的关键在于如何进行更高效的视频编码，在于用何种策略在保障图像细节的前提下将码流压缩做到极致。而目前在安防领域，最常见的编码方式是H.264 格式，以及正在飞速发展扩张的H.265。举个例子，原始视频数据的大小如果为100Mbps，采用H.264 压缩后将不超过1Mbps，视频压缩比超过100:1，而H.265 通过优化帧间组合和随帧信息较前作等方式已经实现一定程度的优化，但距离宣称的降低50% 的带宽能力还尚有一段距离。因此，尽管H.264 及H.265 已经基本被确立为行业标准，但其中仍有相当大的空间由研发实力较强的厂家去做改进与突破。

宇视深入研究这两种编码技术，在芯片编码技术层面实现了一系列优化，呈现的技术成果就是我们所说的U-Code。因此，U-Code 本身不是新的编码标准，而是一种差异化的编码技术，是可以进一步降低带宽的深度编码优化技术方案。

宇视U-Code 体育编码技术分为两种模式：基础模式和高级模式。其中基础模式静态场景的最高压缩率在80% 左右，运动场景的平均压缩率在25% 左右；而高级模式又有极大提升，其静态场景的最高压缩率甚至达到了95%，而对于运动场景也能将平均压缩率提升至50% 左右。举例来说，众所周知，采用H.264 编码，1080P 的图像至少需要4M 码流；采用H.265，码流可降至2M；而开启U-Code 高级模式后，其平均码流将不会超过1M。真正做到了“1M 码流看高清”。

U-Code 的核心原理

那么，U-Code 技术是怎样实现如此强大的功能呢？它的核心原理有二，分别为体育区域感知（IRP，Intelligent Region Perception）以及增强帧技术（EF，Enhanced Frame）。

EF 技术
H.264 技术定义了三种帧，拥有完整编码信息的I 帧，只包含差异信息的P 帧，参考前后帧的B 帧。通常情况下每个帧率周期（比方说25fps）内会有一个I帧，剩余都由P帧和B帧组成。如果单独将码流的每一帧码率分解开来，我们会看到下图（见下页）这样一个曲线：

从曲线变化可以看到，蓝色帧码率较低，而红色帧码率极大。红色的帧就是I 帧，它携带了大量的编码信息，因此占用的带宽极高。
事实上，增强帧技术达到降低带宽总共分2步：①增大 I 帧间隔GOP ②增加虚拟 I 帧。

①增大 I 帧间隔GOP：从上图中，我们很容易理解，I 帧作为关键帧携带大量编码信息，因此 I 帧越少，带宽越低。增大 I 帧间隔GOP 可以有效降低整体带宽。我们的增强帧技术，通过画面变化趋势分析，在画面静态趋向时使用较大GOP，在画面有快速动态变化是使用较小GOP，来动态调节 I 帧间隔。
②增加虚拟 I 帧：我们知道 I 帧作为关键帧携带大量编码信息，所以录像回放时通常采用检索 I 帧寻找对应的时刻，因为P 帧信息有限不能提供准确时间节点。那么我们增大 I 帧间隔GOP后，虽然达到了带宽降低的目的，但是录像回放检索时时间跨度也受到GOP 长度影响，使得回放检索精度受到影响。

因此，在增大 I 帧间隔GOP 的同时，增加虚拟 I 帧（Virtual I Frame），携带必要的编码信息。

IRP 技术
以下图的监控区域场景为例，橙色区域内有车辆来回穿梭，而上下两个分割区域内并没有剧烈的物体运动。因此在处理这样的单帧画面时，对于上下分割区域采用较强的压缩比，对于橙色区域采用较低的压缩比。
当然，这只是完成了最简单的一步。实际上，对于机械视觉场景而言，如何准确判断存在运动物体的区域才是IRP 技术要解决的核心难题。
IRP 技术是这样做的，它首先将画面分割为若干区域，然后快速分离记忆多帧无变化的区域。当画面中出现区域内背景与前帧发生剧烈变化（这个剧烈变化类似于常用的运动物体检测最小区域）时，标记该区域以及周边联通的若干区域。单个区域的压缩比参考前帧使用较高的压缩比，而被标记的区域（如蓝色区域）将使用允许的最低压缩比。（参考下图）

U-Code 的使用价值

提供如此优异性能的U-Code 技术，能带来哪些用户价值呢？

首先，最直观的价值即体现在保证视频质量的基础上，能有效降低传输码流。无论视频编码技术发展到哪一步，用户对视频图像质量的重视永远是摆在首位的，以损害图像细节呈现为代价的技术在如今监控行业是站不住脚的。因此，U-Code 技术有了画质的保证，其低码流的特性可以为客户直接贡献传输及存储价值，即占用更低的码流，消耗更少的存储资源；另一方面，客户也可以在不增加任何成本的情况下，将存储时间自然延长一倍，这极大便利了各行各业日渐增长的对存储周期延长的需求。

其次，在监控需求呈爆发性增长的今天，并不是每一个用户都可以将监控系统业务承载于不受限的网络带宽下，大量的客户希望在受限的情况下依然能够体验高清稳定的画质。而这看似矛盾的需求恰好给U-Code 提供了大显身手的机会，其高压缩和高画质并存的特点必将带来极佳的用户体验。

再次，在监控IT 化的趋势下，越来越多的客户摆脱了单一局域网的固定模式，广域联网以及远程控制访问成为了新的潮流。对于广域联网而言，考验的是在网络带宽极其有限和不稳定的情况下，产品及系统怎样才能做到稳定、图像流畅不卡顿、抗丢包等。而U-Code 技术能凭借其丰富的网络适应性大大解决用户的上述使用痛点，进而展现其强大的码流平滑力度，对视频清晰流畅的贡献。

最后，一项优异且成熟的技术，如果是需要一系列复杂操作才能实现，又或是不开放不兼容的话，是不会沉淀出厚实的用户基础的。目前宇视的U-Code 技术已经能够做到前后端上电添加后自动切换为U-Code 高级模式，无需人工手动调节；同时，由于现有标准协议限制，当宇视的前端IPC 与第三方后端设备对接时，虽然无法提供U-Code 高级模式，但仍能用U-Code 基础模式对系统做出大大的优化。这些都是U-Code 技术易用性及兼容性的集中体现。

技术永远是推动视频行业发展的“源头活水”，惟有不断推陈出新，真正从用户实际应用场景出发，不断耕耘，创造出更稳定，性价比更高的产品，才能屹立于行业浪潮之巅。