experience the next
 
Главная  > Журнал «Experience the Next»  > Статьи из журнала

"Axis - 10 шагов в будущее". Шаг 2-ой

05.10.2007

ШАГ ВТОРОЙ. КОМПРЕССИЯ

В каждой цифровой системе видеонаблюдения используются определенные алгоритмы сжатия видеосигнала – таким образом уменьшаются размеры файлов, передаваемых по сети, в целях осуществления записи на носители и просмотра. Пропускная способность сетей и ограничения емкостей хранения данных делают применение некомпрессированного видеосигнала неудобным и дорогостоящим, потому появились и стали развиваться технологии сжатия видео, дающие эффективный инструмент снижения объемов данных. Другими словами, компрессия помогает сэкономить деньги.

В настоящий момент существует большое количество алгоритмов сжатия цифровых видеопотоков. Технология компрессии может быть уникальной – изобретенной и поддерживаемой одним-единственным изготовителем – либо базироваться на отраслевых стандартах и поддерживаться целым рядом изготовителей. Правильный выбор алгоритма компрессии – необходимый элемент обеспечения успешной инсталляции системы IP-видеонаблюдения. Таким образом устанавливается уровень качества, соответствующий выделенному бюджету, и гарантируется долгий срок жизни системы. От выбора правильного алгоритма компрессии зависит также возможность представления видеоматериалов в судебные органы на правах свидетельских показаний – для инсталляций, имеющих отношение к безопасности и видеонаблюдению, этот фактор весьма важен.

ТЕРМИНОЛОГИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМАЯ В ОПИСАНИИ СЖАТИЯ ВИДЕОДАННЫХ

Эффективность технологии сжатия изображения определяется степенью сжатия, которая в численном выражении является результатом деления размера оригинального (некомпрессированного) файла изображения на размер файла того же самого кадра, обработанного алгоритмами сжатия. При более высоких степенях сжатия (компрессии) и той же самой частоте кадров видеопоток занимает меньшую долю пропускной способности сети. Если полоса пропускания поддерживается постоянной, то возможно и увеличение частоты кадров. Более высокие степени сжатия также приводят к ухудшению качества каждого отдельно взятого кадра.

Есть два принципиально различных подхода к компрессии: сжатие без потерь качества и сжатие, предполагающее потери. При сжатии изображения без потерь все точки изображения остаются неизменными, что выражается в полной идентичности исходного изображения и кадра, прошедшего сначала компрессию, а затем – декомпрессию. В системах со сжатием без потерь размер файлов остается относительно большим, что делает бессмысленным их применение в решениях сетевого видео. Самым известным форматом компрессии без потерь является Graphics Interchange Format (GIF). Чтобы справиться с этими проблемами, был разработан ряд стандартов компрессии цифрового изображения, предполагающих опдеделенную потерю качества после процедуры декомпрессии, таких как, к примеру, JPEG и MPEG. Идея такой компрессии построена на том, чтобы, использовав особенности человеческого зрения, удалить из кадра «лишние» области, отсутствие которых не может быть замечено, – за счет этого и происходит снижение объемов передаваемых и хранимых данных.

СЖАТИЕ ОТДЕЛЬНЫХ КАДРОВ

Видео представляет собой непрерывный поток отдельных кадров. Наиболее широко используемым стандартом покадрового сжатия является стандарт Joint Photographic Experts Group (JPEG). Он был разработан в 1980-е годы и оказался интегрированным в стандартные веб-браузеры. Сжатие по алгоритму JPEG снижает размеры файлов за счет частичного удаления высокочастотной компоненты из изображения. В число прочих технологий сжатия изображения «с потерями» входят алгоритмы JPEG2000 и Wavelet. Компрессия JPEG применяется значительно более широко, чем остальные методы, и потому является повсеместно поддерживаемым стандартом сжатия отдельных кадров (статичных изображений).

Стандарт Motion JPEG наиболее часто используется в системах сетевого видео, однако применяемый в нем способ сжатия с технической точки зрения является покадровым. При использовании компрессии Motion JPEG отдельные кадры видеопотока сжимаются в формат JPEG. Поскольку каждый отдельный кадр является изображением, сжатым по алгоритму JPEG, качество всех кадров гарантировано установками степени сжатия изображения сетевой камеры либо видеосервера.

СЖАТИЕ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЙ

Алгоритмы видеосжатия используют принципиально ту же методологическую основу, что и алгоритмы сжатия отдельных кадров. Однако в них производится и сжатие изображения на временной основе - это приводит к дальнейшему снижению среднего размера кадра. Наиболее широко известны стандарты сжатия звука и видеоизображения семейства MPEG, первый из которых был разработан группой экспертов Motion Picture Experts Group в конце 1980-х годов. Компрессия MPEG создает группы кадров, в которой один из кадров используется в качестве опорного. Для каждого последующего кадра группы записывается лишь информация о его отличиях от опорного кадра (в некоторых алгоритмах этого семейства может записываться также дополнительная информация). Если изображение от кадра к кадру изменяется незначительно, степень сжатия может оказаться весьма высокой. При интенсивном движении в видеопотоке степень компрессии значительно падает. На устройстве, где осуществляется просмотр изображений, видеопоток реконструируется на базе опорных (ключевых) кадров и данных об отличиях кадров, следующих за ними. Применение видеосжатия формата MPEG позволяет снизить объемы передаваемых по сети данных по сравнению с теми, которые обеспечиваются сжатием по алгоритму JPEG.

Рис. А. Размер файла 11 Мб
Рис. В. Размер файла 90 Мб
Рис. C. Размер файла 11 Мб
Рис. D. Размер файла 90 Мб
Кадр А имеет меньшую степень сжатия, что выражается в большем размере файла (11 Мб), чем у кадра B (90 кб). Визуальных отличий кадров по качеству обнаружить почти не удается. Однако при увеличении фрагмента кадра разница становится более заметной (см. иллюстрации C и D).

С момента своего принятия стандарт MPEG продолжал развиваться. Версия MPEG-1 появилась в 1993 году и предназначалась для записи цифрового видео на компакт-диски. Ключевой задачей версии MPEG-1 было сохранение по возможности стабильного битрейта (объема данных, записываемых в секунду). Однако из-за этого ограничения качество изображения было нестабильным, мало отличаясь от того, которое обеспечивали обычные видеокассеты. Стандарт MPEG-2 был принят в 1994 году и предназначался для цифровых видеодисков формата DVD, цифрового телевидения высокой четкости, интерактивных средств хранения данных, цифрового телевещания и кабельного телевидения. Задачей проекта MPEG-2 было распространение технологии сжатия MPEG-1 на обработку изображений большего размера и более высокого качества при более высоких битрейтах.

Для систем сетевого видео значительным шагом вперед относительно стандарта MPEG-2 явилась новая разработка – MPEG-4. В качестве стандарта она была оформлена в 2000 году. И в MPEG-4 имеется значительно больший набор инструментов снижения битрейта и сохранения качества исходного изображения. Существует большое количество разных версий стандарта MPEG-4. В версии Simple Profile качество изображения невысоко, однако новая ее разновидность Advanced Simple Profile (Part 2) дает значительный прирост качества. Новейшей версией стандарта MPEG-4 является так называемая Part 10 (также известная как AVC – Advanced Video Coding или H.264).

Рис. F. Пример последовательности трех полных кадров формата JPEG
Рис. G. Пример последовательности трех кадров формата MPEG

При ограничениях пропускной способности сети пользователи могут выставить постоянное значение битрейта (CBR), под которое будет автоматически подгоняться видеопоток. Однако при этом качество изображения будет меняться в зависимости от интенсивности движения в кадре. В качестве альтернативы имеется опция установки переменного битрейта – при этом параметры качества изображения могут быть зафиксированы вне зависимости от интенсивности движения в кадре. В приложениях видеонаблюдения чаще используется именно этот вариант. Однако вследствие того, что битрейт и, соответственно, нагрузка на пропускную способность сети будет меняться во времени, сетевая инфраструктура должна иметь некоторый запас пропускной способности, чтобы передача видео не тормозилась.

ЧТО ЛУЧШЕ – MPEG-4 ИЛИ MOTION JPEG?

Как описано выше, стандарты MPEG-4 и Motion JPEG используют несколько различающиеся принципы снижения объемов данных, подлежащих передаче по сети и записи на цифровые носители в системе сетевого видеонаблюдения. У каждого из них имеются свои преимущества и недостатки, и потому наилучшим для осуществления правильного выбора является учет задач конкретной системы видеонаблюдения, для которой выбирается формат компрессии.

Выбор формата Motion JPEG часто оправдывается его простотой. Время задержки при захвате видео, его кодировании, передаче и декодировании невелико и поддается расчету. Иными словами, латентность системы при использовании компрессии Motion JPEG весьма мала, что делает целесообразным его применение для просмотра видео в реальном времени, обработки видеоизображений, обнаружения движения и слежения за объектами.

Формат Motion JPEG также способен поддерживать гарантированный уровень качества видеоизображения, невзирая на наличие движения в кадре и сложность самого изображения. Средствами формата возможно выбрать высокое качество изображения (низкая степень компрессии) либо пониженное (высокая степень компрессии), при котором значительно снижаются размеры файлов и нагрузка на сеть. Для дальнейшего снижения нагрузки легко и без потерь качества изображения регулируется частота кадров.

Однако в целом объемы файлов, обработанных по алгоритму Motion JPEG, превышают величины сжатых по алгоритму MPEG-4. Для передачи видеопотоков формата MPEG-4 требуется меньшая доля пропускной способности сети и меньшие объемы средств хранения данных – все это позволяет сэкономить. Однако при пони женных частотах кадров (менее 5 кадров в секунду) эта экономия становится небольшой: применение сетевых камер со сжатием Motion JPEG со встроенными средствами обнаружения движения в кадре может представлять собой весьма неплохую альтернативу, поскольку в этом случае возможно переключение на более высокую частоту кадров лишь при наличии движения в сцене. При наличии ограничений пропускной способности сети либо необходимости постоянного поддержания высокой частоты кадров предпочтение может быть отдано формату MPEG-4. Поскольку сама по себе компрессия MPEG-4 является более сложной, время задержки сигнала на пути к устройству, на котором осуществляется просмотр видеоматериалов, будет более существенным. Поэтому для декодирования видеопотоков MPEG-4 просмотровая станция должна иметь большую вычислительную мощность, чем в случае применения компрессии Motion JPEG.

Один из наилучших способов воспользоваться преимуществами обоих стандартов – приобрести оборудование, способное одновременно передавать видеопотоки форматов MPEG-4 и Motion JPEG. Это решение представляет собой компромисс между обеспечением максимально качественного изображения и снижением нагрузки на сеть при просмотре видео в реальном времени.

Также необходимо помнить и о том, что использование обоих видеостандартов семейства MPEG – MPEG-2 и MPEG-4 – осуществляется на платной основе, что может несколько увеличить затраты на обслуживание системы сетевого видеонаблюдения. Важно задать вашему поставщику оборудования вопрос о том, оплачены ли лицензионные сборы. Если нет – значит, позднее вам придется понести ряд дополнительных затрат.

Возможно ли путем применения лишь одного стандарта компрессии достичь своих целей?

Решая этот вопрос и приступая к проектированию системы сетевого видео, позаботьтесь о том, чтобы получить ответы на следующие вопросы:

  • Какая частота кадров вам необходима?
  • Все ли время эксплуатации системы вам будет требоваться одно и то же значение частоты кадров?
  • Требуется ли постоянно осуществлять запись (просмотр) или возможно ограничиться записью (просмотром) только тех моментов, в которые происходят какие-либо события?
  • Какой предполагается срок хранения записанных видеоматериалов?
  • В каком пиксельном разрешении необходимо осуществлять захват видео?
  • Каковы требования к качеству видеоизображения?
  • Каково допустимое время задержки сигнала (затраты времени на кодирование-декодирование)?
  • Каковы требования к конструктивной прочности и степени защищенности системы?
  • Какая пропускная способность сети может быть выделена для нужд системы?
  • Каков объем бюджетных средств, которые предполагается затратить на приобретение и поддержание функционирования системы

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВАРИАНТЫ

Еще одним вариантом является использование уникальных алгоритмов компрессии. Некоторые производители не следуют стандартам на 100% либо используют собственные методы сжатия видео. Если вы пользуетесь уникальной технологией компрессии, будьте готовы к тому, что, если по каким-либо причинам разработчик прекратит осуществлять поддержку данной технологии, ваш доступ к собственным архивным видеофайлам для просмотра и обработки вначале будет существенно ограничен, а затем может и вовсе прекратиться. Чтобы избежать этого, нужно, чтобы производитель предоставлял инструменты для преобразования видеозаписи в стандартный формат – например, Motion JPEG или MPEG.

Нужно также обратить внимание, что суды могут не принимать видеоматериалы в качестве свидетельских показаний после их компрессии по определенным алгоритмам. Если предполагается возможность подобного использования архивного видео, вам лучше остановить свой выбор на компрессии промышленного стандарта либо заранее выяснить, является ли выбранный вами алгоритм лицензированным для использования в судах вашей страны. Некоторые из судов полагают, что видеосвидетельствование должно осуществляться на базе отдельно взятых кадров, никак не привязанных друг к другу и не обработанных. Такие инстанции не примут у вас видеоматериалы в формате MPEG вследствие особенностей способа обработки информации в этом алгоритме компрессии. Британская судебная система, одной из первых ставшая принимать к рассмотрению видеоматериалы в цифровом формате, требует предоставления результатов специального аудита, описывающих способ получения материалов с указанием способа и места их хранения и т. п., чтобы убедиться в том, что информация не подвергалась каким-либо модификациям. По мере того как цифровое видео входит в судебную практику, проблема принятия материалов судебной системой становится все более актуальной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выбранный тип компрессии – один из наиболее важных факторов, влияющих на успех осуществляемой инсталляции системы сетевого видеонаблюдения. Он влияет на качество как отдельных кадров, так и видеоизображения в целом, на время задержки сигнала, на затраты по реализации сетевого решения, на приобретение средств хранения и даже на то, возможно ли принятие видеоматериалов судом в качестве свиде тельских показаний. Исходя из всего перечисленного очень важно тщательно подойти к выбору стандарта компрессии. В противном случае вы можете столкнуться с тем, что система видеонаблюдения не решает тех задач, для выполнения которых вы инвестируете средства в ее приобретение.

Станислав Гучиа
директор компании Axis в России


Полезные материалы