Rodzaje kompresji
O kompresji wideo słów kilka
W świecie cyfrowych rozwiązań wideo IP coraz większą rolę odgrywają standardy kompresji obrazu. Nowoczesne kamery sieciowe są urządzeniami technologicznie zaawansowanymi. Obecnie niemal każde urządzenie tego typu posiada różne opcje kompresji w locie (to znaczy, że nagrywany strumień wideo, jest automatycznie kompresowany przed wysłaniem do urządzenia rejestrującego). Dzięki temu urządzenia nie wymagają łącza o ogromnej przepustowości, a rejestrowany obraz wideo nie wymaga z kolei ogromnych przestrzeni dyskowych.
Historia kompresji wideo sięga początku lat 80-tych. Na przestrzeni 30 lat pojawiło się kilka popularnych standardów, w tym tak istotne w branży CCTV jak: M-JPEG, MPEG-4, H.264/MPEG-4 AVC oraz jego rozszerzenie oznaczone skrótem SVC (Scalable Video Coding). W roku 2013 oczekiwany jest standard HEVC (High Efficiency Video Coding), który będzie znany również jako H.265.
Zanim przedstawimy sposób działania poszczególnych standardów należy wyjaśnić, że celem kompresji obrazu, jest zmniejszenie jego objętości. Nie odbywa się to rzecz jasna bez utraty jakości. Kompresja wideo dokonuje się poprzez usuwanie odcieni kolorów wewnątrz obrazu, zmniejszanie rozdzielczości kolorów, usuwanie niewidocznych elementów obrazu i w przypadku standardu MPEG oraz serii H.26x, przechwytywania zmian zachodzących w obrazie (dzięki czemu standardy te wymagają znacznie mniejszej przepustowości łącza od M-JPEG, ale o tym za chwilę).
M-JPEG
Standard kompresji danych Motion JPEG dokonuje kompresji każdej ramki w sekwencji obrazu wizyjnego. Jest to metoda bardzo szybka i w małym stopniu obciążająca procesor. Nie ma tutaj kodowania międzyramkowego (nie odbywa się kompensacja ruchu, nie ma skomplikowanej analizy ramek oraz zachodzących na nich zmian, co ma miejsce w kompresji popularnego MPEG). Motion JPEG jest standardem bardzo szybkim i wymaga mniej pamięci operacyjnej od standardu MPEG. Współczynnik kompresji w standardzie Motion JPEG jest taki sam jak dla kompresji plików graficznych JPEG i wynosi standardowo 10:1. Dla porównania przy kompresji MPEG mamy do czynienia ze współczynnikiem od 30:1 w górę. Jeśli więc mamy stosunkowo niewielki system monitoringu wizyjnego oraz łącze internetowe o dużej przepustowości, warto stosować standard kompresji MJPEG. Zapewnia on wysoką jakość obrazu oraz szybki dostęp do każdej zarejestrowanej klatki.
Zalety kompresji Motion JPEG:
– Możliwość analizy praktycznie każdej klatki
– Wysoka jakość obrazu
– Bardzo małe wykorzystanie procesora i bufora pamięci
– Obraz o równomiernej wielkości (objętości)
– Najlepsza metoda dla materiału dowodowego
– Zdecydowanie najtańsza technologia
– W dalszym ciągu najpopularniejszy standard kompresji danych
Wady:
– Wymaga dużej przepustowości
– Wymaga dużych przestrzeni dyskowych
– Możliwość utraty pojedynczych klatek
MPEG
W jaki sposób MPEG analizuje obraz? Zakodowany ciąg obrazów odnotowuje trzy rodzaje ramek: ramki statyczne (I-Frame) – oraz dwa rodzaje ramek dynamicznych (B-Frame oraz P-Frame), które działają na zasadzie wzajemnego odniesienia i odnotowywane są przy pomocy wektora ruchu (Motion Estimation). Ramka I-Frame daje pełny obraz jaki jest rejestrowany w makrobloku i zapisywana jest w formacie JPEG, natomiast B-Frame oraz P-Frame analizują zmiany różnicowe. W ten sposób transmisja odbywa się wyłącznie na ramkach dynamicznych i w praktyce oznacza przepływ znacznie mniejszej ilości danych. Dokonując jeszcze prostszej analizy – im mniej dynamiczna scena, tym mniejsza objętość transmisji. Dodatkowo ramki B-Frame, potrafią opisywać ruch na podstawie ramek występujących zarówno przed nimi jak i za nimi (P-Frame-y odnoszą się tylko do klatek występujących przed nimi). Ramki B-Frame zajmują najmniej miejsca, co oznacza, że im więcej tego rodzaju ramek, tym mniej miejsca zajmuje skompresowany obraz.
Zalety standardu MPEG:
– Nie wymaga dużej przepustowości
– Zwiększa czas, przez który materiał może być przechowywany
– Nie wymaga dużych przestrzeni dyskowych
– Rejestruje wyłącznie zmiany wewnątrz ramek dynamicznych
– Przy niskiej przepustowości, priorytetem jest klatkowanie
Wady:
– Obraz nie zawsze nadaje się jako materiał dowodowy
– Większe obciążenie procesora oraz bufora pamięci
– Standard wolniejszy i bardziej zaawansowany procesowo
H.264 AVC
Czym zatem jest H.264/MPEG-4 AVC? Popularny H.264 jest zdecydowanym krokiem w przód, w stosunku do swojego poprzednika MPEG, jest również jego obszernym rozszerzeniem – używa tej samej techniki kompresji, algorytm działania jest jednak zdecydowanie bardziej rozbudowany. Sama nazwa (Advanced Video Coding) sugeruje, iż standard w swojej specyfikacji nie jest łatwy. Głównym celem stworzenia standardu był broadcast internetowy, tak więc z punktu widzenia użytkowników branży sieciowej telewizji przemysłowej, powinien być bardzo ciekawy.
Kompresja H.264 wykorzystuje o połowę mniejsze bloki w ramkach niż popularny MPEG. Dodatkowo, potrafi wykonać na nich kilka bardziej zaawansowanych procesów, podnosząc tym samym jakość obrazu. Redukcja danych, a więc zmniejszenie objętości odbywa się poprzez tzw. kwantyzację. Kwantyzacja to działanie polegające na zmniejszeniu liczby kolorów przy zachowaniu możliwie najwierniejszego ich odwzorowania. Polega to na usunięciu wysokich częstotliwości obrazu, nierejestrowanych przez ludzkie oko. W tym celu na każdy blok nakładana jest macierz kwantyzacji. Macierz kwantyzacji, potrzebna jest przez dwa rodzaje występującego zróżnicowania: wielkość występowania niektórych bloków oraz umiejętność kodowania H.264 zarówno ramek statycznych jak i dynamicznych. Dodatkowo H.264 stosuje tzw. przewidywanie przestrzenne (Spatial Prediction), polega to mniej więcej na zastąpieniu składowych elementów danych bloków, identycznymi, występującymi w ich sąsiedztwie i ma bardzo prosty cel, jeszcze większą kompresję danych. Co więcej, kodek potrafi wyciągać wektory ruchu z jednej ramki dla innej, zastępować sekwencje, zapamiętywać ustawienia światła i kolorów, nie zmieniając ich w kolejnych klatkach. Standard w różnych wersjach profilowych wykorzystuje zaawansowane systemy kompresji danych. Wszystko te zabiegi odbywają się w jednym celu: jak największej kompresji, przy jak najmniejszej utracie jakości obrazu.
Zalety H.264
– Niezwykle silna kompresja, niska wymagana przepustowość
– Doskonały dla scen statycznych i umiarkowanie dynamicznych
– Doskonały do podglądu zdalnego
– Niezwykle elastyczny
Wady:
– Duże obciążenie procesora CPU i GPU oraz pamięci
– Nie sprawdza się w trudnych warunkach pogodowych (deszcz, śnieg)
H.264 SVC
H.264 SVC (Scalable Video Coding) jest kolejnym standardem, stanowi rozszerzenie popularnego H.264. Zasadnicza różnica polega na tym, że oprócz strumienia głównego, standard dysponuje możliwością wysłania tzw. substrumieni, bez potrzeby stosowania dodatkowych operacji obliczeniowych, co w znacznym stopniu odciąża procesor, grafikę oraz pamięć operacyjną. Obraz dzielony jest na kilka warstw i w ten sposób dostarczany w różnej rozdzielczości, wielkości oraz prędkości dla kolejnych urządzeń. Przy zachowaniu stosunkowo małej objętości przesyłanego materiału, istnieje możliwość wysłania kilku substrumieni, przy minimalnym obciążeniu procesora. Rozwiązanie w teorii prezentuje się doskonale, w praktyce również nie ma sobie nic do zarzucenia. Pierwsi producenci w branży monitoringu IP już wyposażają swoje kamery w ten standard.
H.265 (HEVC)
W styczniu 2013 roku planowana jest premiera nowego standardu kodowania, tytułowanego HEVC (High Efficiency Video Coding) – nazywanego popularnie H.265. Nowy rodzaj kodeka będzie następcą popularnego H.264 AVC i ma obsługiwać rozdzielczości do 7680×4320 czyli tzw. Ultra High Definition. Według zapewnień twórców, standard ma pozwolić na dwukrotną redukcję wielkości przesyłu danych, przy zachowaniu porównywalnej do H.264 jakości obrazu. Urządzenia wykorzystujące tę kompresję, trzeba będzie uzbroić w mocny procesor oraz grafikę.
Czy standard znajdzie zastosowanie w branży CCTV? Póki co, rozdzielczość rzędu 33 megapixele wydaje się progiem nieosiągalnym. W praktyce jednak, ogromne projekty oparte na multimegapikselowych kamerach mogą na tym skorzystać.
