IP камеры сжатие видео
Сжатие видеоматериалов.
Технология сжатия видео – это избавление от избыточного материала, с целью сокращения объемов видеоданных и последующей более легкой передачи по сети. Современные технологии видеосжатия позволяют в значительной степени уменьшить размер видеоматериала, без каких либо существенных потерь в качестве.
Существует множество различных стандартов видеосжатия, однако большинство разработчиков систем видеонаблюдения придерживаются стандартным, устоявшимся технологиям сжатия, дабы обеспечить наибольшую совместимость. Это становится особенно важно, когда необходимо воспроизвести видеоматериал спустя многие годы после его записи. Помимо этого использование неких стандартов позволяет строить системы видеонаблюдения выбирая различных производителей оборудования не останавливаясь на конкретном.
В настоящий момент существует три основных стандарта видеосжатия Motion JPEG, MPEG-4 и H.264. Самый передовой из них это H.264 он наиболее эффективен и является самым современным из перечисленных.
Видеокодек.
Для более простой передачи по сети используются видеокодеки, которые сжимают видеофайлы. В ходе сжатия применяются специальные алгоритмы для того чтобы максимально уменьшить исходный видеофайл. Когда производится воспроизведение сжатого материала, происходит обратное действие, при этом применяется обратный алгоритм, который восстанавливает видеоматериал практически в исходное состояние. Время, затрачиваемое на сжатие, передачу и восстановление получило название времени ожидания. Чем более сложные, изощренные алгоритмы применяются для сжатия видеоматериала, тем выше время ожидания. Совместная работа этих двух алгоритмов представляет из себя видеокодек (кодер/декодер). Каждый видеокодек уникален и поэтому видеоданные сжатые одним кодеком никогда не смогут быть распакованы другим. Например, декодер M-JPEG не сможет распаковать материал, кодированный H.264, ведь один алгоритм не сможет декодировать результат созданный другим алгоритмом. Но это не преграда ведь можно оснастить программное и аппаратное обеспечение множеством разных кодеков, чтобы обеспечить максимальную совместимость, при использовании разных форматов.
Сжатие изображения и сжатие видеоизображения.
В разных стандартах применяются абсолютно различные методы уменьшения размера данных, и поэтому результаты значительно отличаются, прежде всего, по скорости передачи, качеству и времени ожидания. Можно выделить два основных алгоритма сжатия: сжатие видеоизображения и сжатие изображения. Когда происходит сжатие изображения, то используются технологии внутрикадрового кодирования, при этом сокращение избыточных данных достигаются методом удаления из кадра ненужной информации, незаметной для человека. Примерно на таком методе основывается стандарт Motion JPEG. Обычно кадры стандарта Motion JPEG это отдельные JPEG изображения, которые кодируются каждая отдельно.
Когда происходит сжатие видеоизображения (это кодеки MPEG-4 и H.264) используется метод межкадрового предсказания, которое позволяет значительно сократить объемы в последовательности кадров. При этом используются специальные технологии, такие как кодирование, по отличиям, когда текущий кадр сравнивается с неким опорным. Затем происходит анализ и кодирование только тех пикселей, которые изменились. Благодаря этому происходит сокращение количества пикселей для кодирования, а при просмотре такого кодированного ряда видео выглядит практически как в оригинале.
Для еще более сильного сжатия данных могут применяться и другие технологии, в их число входит поблочная компенсация движения. Принцип работы данной технологии основывается на том, что содержимое последующих новых кадров может быть выявлено из предыдущих или в другом месте. Такой принцип построения делит полный кадр на несколько блоков из пикселей. Если обнаруживаются совпадения таких блоков с опорными кадрами, то можно сделать некое предсказание нового кадра. Если совпадения обнаружены кодер кодирует место расположения этого блока пикселей в опорном кадре. Тем саамы кодирование вектора движения требует значительно меньше битов, чем фактическое содержание блока пикселей.
Если используется алгоритм межкадрового предсказания, то каждый из кадров получает свой тип. Бывает три типа кадров: I-кадр, P-кадр или B-кадр.
I-кадр (Intra frame – вводный кадр) – независимый кадр, кодируется индивидуально, без каких либо связей с другими кадрами. Самое первое видеоизображение это всегда I-кадр. Такие кадры используются, как начальные точки или для синхронизации, если видеопоток нарушен. I-кадры, в большинстве случаев, используются для перемотки видеоряда. Когда к видеопотоку подключаются новые пользователи, видеокодер автоматически вставляет I-кадры через определенные промежутки времени. Недостаток этих кадров это избыточное количество бит, однако это исключает искажения, появляющиеся при утере необходимых данных.
P-кадр (predictive inter frame) – промежуточный предсказуемый кадр. В таком кадре содержатся ссылки на части из предшествующих I- или P-кадров. Обычно P-кадры при кодировании требуют значительно меньше бит, но при этом они довольно чувствительны к ошибкам из-за сложной зависимости от предшествующих кадров.
B-кадр (bi-predictive inter frame) – промежуточный двунаправленный кадр. В таком кадре содержатся ссылки на предыдущие и последующие опорные кадры. Используется для растягивания времени ожидания.
Когда видеодекодер восстанавливает видео из кодированного потока битов, процесс всегда стартует с I-кадра. Если существуют P- и B-кадры, то они кодируются совместно с опорными. Для того чтобы контролировать сколько P-кадров отправить перед очередным I-кадром, в сетевых устройствах видеонаблюдения существует параметр GOV (group of video). Увеличивая параметр GOV, уменьшается частота I-кадров и тем самым снижается скорость передачи. Если необходимо сократить время ожидания необходимо вовсе отказаться от использования B-кадров.
Помимо перечисленных способов кодирования информации существуют различные другие методы уменьшения объемов данных и увеличения качества видеоизображения. К примеру современный формат H.264 поддерживает передовую технологию предсказания I-кадра и усовершенствованную компенсацию движения, а также фильтр для сглаживания краев блоков (артефактов).
Форматы сжатия.
Motion JPEG (M-JPEG) данный формат представляет собой последовательный ряд изображений формата JPEG. Отображение 16 или более кадров в секунду воспринимается человеческим глазом как видеоряд. Отображение 30 (NTSC) или 25 (PAL) кадров в секунду уже воспринимается как полномасштабное видео.
Основное преимущество этого формата это то, что каждому из кадров в последовательном видеоряда гарантируется качество, получаемое при сжатии сетевой камерой или видеокодером. Чем сильнее сжатие, тем меньше размер видеофайла и ниже качество. При некоторых ситуациях, например слабый уровень освещения или сложном объекте наблюдения размер файла может значительно увеличится, т.к. для его хранения будет необходима более высокая полоса пропускания и гораздо больший объем памяти.
В этом формате отсутствует связь между отдельными кадрами, поэтому потеря кадра при передаче абсолютно не повлияет на качество оставшегося видеоряда. M-JPEG стандарт который не требует лицензирования. За счет своей совместимости формат широко используется везде, где требуются отдельные кадры в видеоряде. Используя данный формат целесообразно выставлять небольшой фреймрейт например 5 к/с. Основной недостаток формата в том что это не алгоритм видеосжатия, а обычная последовательность статичных изображений, поэтому объемы видеофайлов занимают большие пространства. В результате данный формат по сравнению с H.264 и MPEG-4 занимает гораздо больший объем, но менее требователен к полосе пропускания.
MPEG4. Обычно в системах охранного видеонаблюдения используется MPEG-4 Part 2 или как его еще называют MPEG-4 Visual. Как и все стандарты разрабатываемые группой экспертов по движущимся изображениям (Moving Picture Experts Group) этот стандарт лицензированный и необходимо покупать лицензию на каждое устройство использующее этот формат. Данный формат хорошо покажет себя при невысокой полосе пропускания и в приложениях требующих высокого качества изображения и практически неограниченную полосу пропускания без ограничений фреймрейта.
H.264 (MPEG-4 Part 10/AVC) самый современный из стандартов видеосжатия и в настоящее время самый востребованный. Без ущерба качества снижает размер видеоматериала на 80% по сравнению с M-JPEG и примерно на 50% по сравнению с MPEG-4. Это гораздо сокращает требования к полосе пропускания для передачи и объему для хранения. Или как альтернатива возможность получить гораздо большее качество при тех же ресурсозатратах. Стандарт утвержден организацией по стандартам телекоммуникаций и информационных технологий. H.264 прекрасно подойдет для видеонаблюдения с высокой частотой кадров и в высоком разрешении. За счет данного формата происходит ускоренный переход на мегапиксельные сетевые камеры, благодаря эффективному алгоритму видеосжатия. Но помимо всех достоинств данного формата есть и некоторые недостатки. Так например за счет сложности алгоритмов сжатия H.264 требует гораздо большие технические характеристики сервера видеонаблюдения к которому подключены сетевые камеры.
Переменный и постоянный поток данных.
Форматы MPEG-4 и H.264 могут иметь переменный и постоянный «битрейт». Выбрать тот или иной можно основываясь на сфере применения сетевой инфраструктуры.
Переменный поток данных определяет неизменный уровень качества видеоизображения независимо от того происходит или нет какие либо движения в кадре. Если в поле зрения камеры попадает движение то поток видеоданных и пропускная способность возрастают, а если движения отсутствуют то уменьшаются. Переменный поток следует применять в охранном видеонаблюдении, если требуется получить максимальное качество в особенности, когда в кадре происходят действия. При использовании переменного «битрейта» необходимо чтобы пропускной способности было достаточно для передачи видеоматериала в высоком качестве. Если же пропускная способность ограниченна, то следует использовать постоянную скорость потока, определяемую инсталлятором системы. Основным недостатком постоянной скорости потока является то, что при резком увеличении движений в кадре возрастает и количество передаваемых данных, но так как скорость потока строго ограниченна, уместить передаваемые видеоданные становится возможным лишь уменьшив качество или сократив «фреймрейт».
AmperSecurity.ru
