Сжатие видео в системах видеонаблюдения

На данный момент все современные системы видеонаблюдения можно отнести к цифровым, так как в итоге видео информация всегда имеет цифровое представление. Поэтому для более эффективного хранения и последующей передачи этой информации обязательно используется сжатие по определенным алгоритмам.

Давайте разберемся, что такое видео? Видео, по сути, представляет собой последовательность статичных изображений, которые постоянно меняются с течением времени. А в свою очередь эти изображения состоят из кучи пикселей.

• Пиксель – это наименьший элемент изображения, который меняет свой цвет в зависимости от его содержания.
• Кадр – это массив пикселей, которые генерируются видеокамерой в статичную картинку. На сегодня в системах видеонаблюдения наиболее распространены размеры кадров: 1280 x 720 (HD), 1920 x 1080 (FullHD), 2688 x 1520 (4Mpix) и 2560 x 1920 (5 Mpix) и более.
• Частота кадров – это скорость, с которой кадры чередуются при записи или воспроизведении видео. В большинстве случаев частота 25 кадров в секунду является максимальной, но бывают и исключения, как в большую, так и в меньшую сторону. При такой частоте 25 кадров в секунду человеческий глаз воспринимает динамическое изображение плавным, как в реальности.
• Битрейт – это количество бит-информации, используемое для хранения или передачи видео в единицу времени (бит/с). На битрейт в большой степени влияет сжатие потока данных. В системах видеонаблюдения битрейт может быть постоянным или переменным. Постоянный битрейт соответствует введенному значению и остается неизменным, также как и постоянный размер конечного файла. При переменном битрейте кодек выбирает его значение, исходя из параметров желаемого качества или непосредственно снимаемой сцены.
• I-кадры (опорные, ключевые кадры) – это кадры, которые содержат полную информацию о текущем снимке, они сжимаются независимо от других кадров, а между ними уже передаются только изменения изображения (p-кадры) относительно опорного кадра.
• P-кадры (разностные кадры) – кадры, содержащие информацию только о разнице между текущим снимком и опорным кадром (i-кадром).
• B-кадры (двунаправленные, обратные кадры)– кадры, содержащие информацию на один или несколько предыдущих и последующих кадров.

Структура потока такова, что при декодировании невозможно восстановить изображение из B-кадра, пока не будет получен P-кадр. Поэтому мы и видим задержку в отображении потока с IP-камеры, например, при использовании алгоритма сжатия H.264.

Требования к качеству картинки постоянно растут. При этом пропускная способность каналов связи и емкость накопителей за этим ростом не поспевают. Очевидно, что без алгоритмов сжатия и их постоянного совершенствования системы видеонаблюдения стоили бы в десятки раз дороже того, что мы имеем сейчас.

На сегодняшний день в системах видеонаблюдения уже достаточно длительное время доминирует стандарт сжатия H.264 (Advanced Video Coding (AVC)). Сжатие по этому алгоритму заключается в исключении избыточных данных и сокращении их объема. При настройке кодирования в системах видеонаблюдения встречаются три основных профиля кодека H.264.

• Baseline - профиль подразумевает минимальную нагрузку на процессор декодирующего устройства и не сильное сжатие. Как правило его выбирают при записи видеопотока на устройство в не сильно нагруженной локальной сети.
• Main - профиль создает среднюю нагрузку на процессор и сильно сжимает видео. Этот профиль универсальный и по умолчанию выставлен в большинстве видеорегистраторов.
• High - профиль обеспечивает максимальное сжатие с сильной нагрузкой на устройство декодирования. Битрейт при работе с таким профилем будет в разы ниже, чем при использовании baseline профиля.

Алгоритм сжатия H.264+ – это формат, разработанный специально для использования в системах видеонаблюдения. Это просто модифицированный кодек H.264 (AVC), который был оптимизирован именно под задачи систем видеонаблюдения и учитывает все их особенности.

На видеопотоке, получаемом с камер видеонаблюдения, как правило сцена всегда постоянна и практически не меняется. Движущиеся объекты могут отсутствовать на протяжении длительного времени, а шумы, возникающие в плохих условиях освещения, ощутимо влияют на качество изображения. В обновленном стандарте H.264+ все эти особенности были учтены и эффективно обрабатываются.

При использовании H.264 подвижные объекты кодируются вместе со статичным фоном для сохранения качества. Вместе с фоном кодируются и фоновые шумы. В формате H.264+ фон отделяется от движущегося объекта и кодируется с более высокой степенью сжатия. Такая технология позволяет частично подавлять шумы и уменьшать битрейт.

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.

Алгоритм сжатия H.265 (High Efficiency Video Coding (HEVC)) стал значительным шагом вперед в области кодирования видеосигнала. Идея HEVC заключается в том, чтобы предложить тот же уровень качества изображения, что и AVC, но с улучшенным сжатием, поэтому видео файл, сжатый с помощью этого кодека, будет в два раза меньше.

То есть благодаря новому алгоритму для передачи сигнала требуется вдвое меньшая пропускная способность сети, а для хранения – вдвое меньшая емкость накопителей. Это позволяет использовать аппаратные средства c гораздо меньшими затратами.

Новый кодек сразу просматривает несколько кадров, чтобы увидеть, что в кадре не меняется. При этом параллельное кодирование, предусмотренное кодеком H.265, дает возможность одновременной обработки разных частей кадра, что существенно ускоряет воспроизведение и дает возможность в полной мере использовать современные процессоры.

Также этот стандарт получил технологию произвольного доступа к изображению (Clean Random Access), которая производит декодирование случайно выбранного кадра без необходимости обработки предыдущих в потоке изображений. Это значительно уменьшает задержку в отображении потока с IP-камеры.

Стандарт H.264 на данный момент остается самым популярным стандартом для подавляющего большинства систем видеонаблюдения. На текущий момент он полностью выполняет свои функции.

Стандарт H.264+ хоть и является оптимизированным и улучшенным глобального применения не имеет, так как используется всего несколькими производителями.

Новый стандарт H.265 широкого распространения пока не получил в силу некоторых особенностей. Но безусловно имеет все шансы заменить своего предшественника и все больше производителей начинают его поддерживать.