Автор: Андрей МОНАЕНКОВ, технический директор компании NOVIcam
Алгоритмы сжатия в системах видеонаблюдения
На сегодняшний день все современные системы видеонаблюдения так или иначе являются цифровыми, т. е. в конечном виде информация всегда имеет цифровое представление. В связи с этим для более эффективного хранения и передачи по сети обязательно используется сжатие видео по определенным алгоритмам. Далее речь пойдет о некоторых базовых понятиях сжатия видео. Основные понятия Практически все знают, что видео представляет собой последовательность статичных изображений, меняющихся во времени. А эти изображения состоят из массива пикселей. Пиксель – это наименьший логический элемент изображения, который меняет свой цвет в зависимости от его содержания. Кадр – это массив всех пикселей, которые генерируются видеокамерой в определенный момент времени. На данный момент в системах видеонаблюдения самые распространенные размеры кадров: 960 x 576 (WD1), 1280 x 720 (HD), 1920 x 1080 (FullHD), 2688 x 1520 (4Mpix) и 2560 x 1920 (5 Mpix). Частота кадров – это скорость, с которой кадры чередуются на мониторе. В большинстве случаев частота 25 кадров в секунду является максимальной. На профессиональном жаргоне оборудование, способное записывать и генерировать видеопоток с частотой 25 к/с, имеет приставку RealTime (с англ. «реальное время»). При такой частоте человеческий глаз воспринимает динамическое изображение плавным и без дерганий, как в реальности. Битрейт – это количество бит-информации, используемое для хранения или передачи видео- или аудиоконтента в единицу времени (бит/с). Битрейт также отображает степень сжатия потока данных. В системах видеонаблюдения битрейт может постоянным (СBR – Constant Bitrate) или переменным (Variable Bitrate). Постоянный битрейт соответствует заданным параметрам и остается неизменным на протяжении всего файла. Его главное достоинство в том, что можно предсказать размер конечного файла. При переменном битрейте кодек выбирает его значение, исходя из параметров желаемого качества. В течение всего кодируемого видеофрагмента битрейт может изменяться. Опорные кадры (i-кадры) – кадры, которые содержат полную информацию о текущем снимке. Предсказанные кадры (p-кадры) – кадры, содержащие информацию только о разнице между текущим и предыдущим снимком. Все применяемые в системах видеонаблюдения алгоритмы сжатия основываются на технологиях с потерями. То есть в процессе сжатия отсекается часть избыточной информации. Почему видео необходимо сжимать? Для наглядности рассчитаем видеопоток без компрессии с FullHD камеры со скоростью 25 кадров в секунду. Итак, имеем кадр с разрешением 1920 x 1080 и суммарным количеством пикселов 2 073 600. Представим один пиксель в самой простой форме кодирования цвета – RGB24, где под составляющие Red, Green и Blue выделяется по 8 бит. То есть 1 пиксель будет занимать 24 бита информационного пространства. Следовательно, одному кадру c разрешением 1080p потребуется 49 766 400 бит, или 47,5 Мбит. Таких кадров в секунду хотелось бы иметь 25. Отсюда вытекает битрейт без сжатия 47,5 x 25 = 1187,5 Мбит/с = 1,16 Гбит/с, т. е. для хранения часового фрагмента видео с 2 Mpix IP видеокамеры потребуется 500 Гб дискового пространства, а для передачи потока пропускной способности гигабитной сети будет недостаточно. Следует отметить, что максимальный битрейт видеопотока c идентичными параметрами при сжатии кодеком H.264 обычно составляет 8 Мбит/с, что почти в 150 раз меньше, чем у несжатого видео. Из этого очевидно, что без алгоритмов сжатия системы видеонаблюдения стоили бы в десятки, а то и в сотни раз дороже того, что мы имеем сейчас. Современные алгоритмы сжатия Время не стоит на месте, требования к качеству картинки постоянно растут. При этом пропускная способность каналов связи и емкость накопителей совсем бы не поспевали за этим ростом, если бы не постоянное совершенствование алгоритмов сжатия. Стандарт H.264 На данный момент в системах видеонаблюдения уже достаточно длительное время доминирует алгоритм сжатия H.264. Компрессия H.264 заключается в исключении избыточных данных и сокращении их объема по многочисленным алгоритмам, подробно которые рассматривать в данной статье мы не будем. При настройке кодирования в системах видеонаблюдения встречаются три основных профиля кодека H.264. Baseline профиль подразумевает минимальную нагрузку на процессор декодирующего устройства при несильном сжатии. Предназначен для просмотра видеокамеры в локальной сети на компьютере. Main профиль создает среднюю нагрузку на процессор при сильном сжатии. Этот профиль универсальный и подходит для производительных ПК и для большинства видеорегистраторов. High профиль обеспечивает максимальное сжатие с сильной нагрузкой на устройство декодирования. Битрейт при работе с таким профилем будет в 2–3 раза ниже, чем при использовании baseline профиля. При использовании видеосервера на базе процессоров Intel или AMD в отличие от видеорегистратора нагрузка будет распределяться на работу всей системы. Перспективный стандарт H.265 Формат сжатия H.265 High Efficiency Video Coding (HEVC) стал значительным шагом вперед в области кодирования цифрового видеосигнала, главным преимуществом которого является почти в 2 раза увеличенная эффективность по сравнению с предшествующим стандартом H.264. То есть благодаря новому алгоритму для передачи сигнала требуется вдвое меньшая пропускная способность сети, а для хранения – вдвое меньшая емкость накопителей. Это позволяет использовать программные и аппаратные средства c гораздо меньшими затратами. Кстати, новый стандарт поддерживает разрешения вплоть до 35 Mpix (8192 х 4320 (8K)), так как максимальный размер блока увеличен до 4096 пикселов (у H.264 – блок 256 пикселов). Параллельное кодирование, предусмотренное стандартом H.265, дает возможность одновременной обработки разных частей кадра, что существенно ускоряет воспроизведение и дает возможность в полной мере использовать современные многоядерные процессоры. Кроме того, новый стандарт получил технологию произвольного доступа к изображению (Clean Random Access), которая позволяет произвести декодирование случайно выбранного кадра без необходимости обработки предыдущих в потоке изображений. Это особенно желательно, когда при мониторинге требуется оперативно переключиться на определенный канал. Несмотря на все преимущества, H.265 еще далек от повсеместного использования. Во-первых, из-за того что для его использования необходима обновленная аппаратная часть, во-вторых, чтобы использовать кодек, необходима покупка патента, а в-третьих, имеются некоторые расхождения между эффективностей, полученной в лабораторных и реальных условиях. Вероятнее всего, в долгосрочной перспективе H.265 все-таки заменит H.264 в качестве главного решения для компрессии видео. Оптимизированный формат H.264+ Алгоритм сжатия H.264+ – инновационный формат, разработанный специально для использования в системах видеонаблюдения. По сути H.264+ – это модифицированный кодек H.264 (AVC), который оптимизирован под задачи видеонаблюдения с учетом всех особенностей. На видео, полученном с охранных видеокамер, сцена всегда постоянна и практически не изменяется, представляющие интерес подвижные объекты могут отсутствовать на протяжении длительного времени, а шумы, возникающие в плохих условиях освещения, ощутимо влияют на качество изображения. В обновленном формате все эти особенности были учтены и обрабатываются следующими технологиями, повышающими степень сжатия: • кодирование с предсказанием на основе модели фона; • шумоподавление; • долгосрочное управление видеопотоком. Кодирование с предсказанием. Все современные алгоритмы сжатия сочетают внутрикадровое и межкадровое сжатие. При внутрикадровом сжатии опорные i-кадры кодируются независимо от других кадров, а предсказанные p-кадры используют i-кадры и другие p-кадры (межкадровое сжатие). При межкадровом сжатии эффективность сильно зависит от выбора опорного кадра. Так как фон в видеонаблюдении стабилен, то его лучше всего использовать в качестве опорного i-кадра, тем самым повысить эффективность сжатия неподвижных объектов и снизить поток данных, приходящийся на опорные кадры. Интеллектуальный алгоритм предсказания выбирает опорные кадры среди тех, в которых меньше всего движущихся объектов. Шумоподавление. Обычно подвижные объекты кодируются вместе со статичным фоном для сохранения качества. Вместе с фоном кодируются и фоновые шумы. В формате H.264+ c помощью специальных алгоритмов фон отделяется от движущегося объекта и кодируется с более высокой степенью сжатия. Такая технология позволяет частично подавлять шумы и уменьшать битрейт. Долгосрочное управление видеопотоком. При фоновом подавлении шума битрейт видео зависит от размера части фона изображения. Например, при съемке на улице в дневное время на фон приходится очень малая часть изображения, так как в это время в кадре находится большое количество подвижных людей и автомобилей. При этом битрейт ощутимо возрастает. И наоборот, ночью битрейт уменьшается, так как движущихся объектов становится гораздо меньше. Формат H.264+ имеет алгоритмы отслеживания интенсивности видеопотоков и в зависимости от времени суток автоматически изменяет степень сжатия. Такая технология управления видеопотоком позволяет не только уменьшить объем видеоархива, но и сохранить качество изображения движущихся объектов. Недостатки сжатия видео При использовании алгоритмов сжатия иногда на изображении можно отчетливо наблюдать так называемые артефакты. Например, разбиение изображения на блоки 8 x 8 пикселов или потерю мелких деталей изображения (размытие). Заключение Алгоритм сжатия H.264 по-прежнему остается самым популярным стандартом для подавляющего большинства систем видеонаблюдения. На сегодняшний день он полностью выполняет свои функции. Инновационный формат H.265 пока широкого распространения не получил в силу некоторых особенностей, но имеет все шансы заменить своего предшественника. Оптимизированный алгоритм H.264+ также глобального применения не имеет, так как используется только несколькими производителями.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru