В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Особенности стандартных алгоритмов компрессии - предмет рассмотрения данной статьи
М.В. Петрайтис
Директор по маркетингу ЗАО "Вокорд Телеком"
Об особенностях реализации кодеков
Поговорим о стандартных алгоритмах компрессии, не принимая к рассмотрению самостоятельно разработанные отдельными компаниями проприетарные кодеки, особенности реализации которых в большинстве случаев неизвестны, а о преимуществах их использования можно судить только по заявлениям самих компаний.
Прежде чем перейти к обсуждению плюсов и минусов применения покадрового и межкадрового сжатия, следует упомянуть о следующем обстоятельстве. В стандартах межкадровых алгоритмов компрессии (MPEG-2/4, H.264), наиболее часто используемых в охранном телевидении, зафиксированы требования к структуре сжатых данных. При этом способ вычисления отдельных параметров (таких, например, как вектор смещения движущихся объектов в промежуточных кадрах) отдается на "откуп" разработчикам конкретной реализации алгоритма. Поэтому качество реализации алгоритмов межкадровой компрессии в системах видеонаблюдения разных производителей может существенно различаться. Это отражается на качестве картинки, наличии различных артефактов, а также на объеме потока компрессированных данных.
Однако для таких покадровых алгоритмов, как JPEG, JPEG-2000, стандарт не допускает каких-либо вольностей, и различные реализации могут отличаться только производительностью.
Объем трафика, создаваемый передаваемыми видеоданными, сжатыми межкадровыми алгоритмами компрессии, заметно меньше, чем при сжатии данных покадровыми кодеками. То же самое касается и размера архива видеоданных. Собственно, в этом и заключается смысл применения межкадровой компрессии.
Для изображения в полном PAL-разрешении 720х576 при частоте 25 кадр/с поток видеоданных, сжатых кодеком JPEG-2000, составляет порядка 12–16 Мбит/с. При том же качестве изображения поток, сжатый MPEG-2/4, обычно составляет 4–8 Мбит/с в зависимости от степени интенсивности движения в кадре.
Уменьшение объема данных не может не сказаться на качестве видеоматериалов в целом. Дело в том, что после декомпрессии большая часть кадров в межкадровых алгоритмах является производной от так называемых опорных кадров, которые сжимаются целиком.
Производные кадры получаются искусственным способом: путем восстановления движущихся объектов предыдущего (или предыдущего и последующего) кадра по векторам смещения. При этом используются некоторые особенности восприятия человеческим глазом движущегося изображения. Чтобы понять, что имеется в виду, достаточно вспомнить картинку, которая получается, когда при просмотре динамичной сцены на аналоговом видеомагнитофоне нажимают кнопку "пауза". В большинстве случаев, если этот момент не приходится на опорный кадр, картинка сильно размыта в областях с движущимися объектами. Тем не менее при обычном проигрывании записи изображение выглядит нормально.
Вот из таких "размазанных" кадров по большей части и состоит архив, записанный системой видеонаблюдения, использующей межкадровые кодеки. Поэтому при необходимости разбора инцидента, зафиксированного системой видеонаблюдения, может случиться так, что у вас будет всего 1–2 опорных кадра, пригодных для анализа записи и идентификации объектов, но не исключено, что таких кадров и вовсе не окажется. Для проведения криминалистических экспертиз принимаются только кадры покадровых алгоритмов сжатия или опорные кадры межкадровых алгоритмов. Обычно опорные кадры идут с интервалом 1–2 с, а промежутки между ними заполняются производными кадрами, не пригодными для анализа.
В то же время у записи, сделанной системой видеорегистрации с покадровым сжатием, каждый кадр представляет собой отдельный снимок и может быть использован для анализа.
В дополнение можно сказать, что частота следования опорных кадров в межкадровых кодеках является регулируемой величиной. Однако при увеличении частоты следования опорных кадров до величины, близкой к покадровым кодекам, объем сетевого трафика (и архива данных) возрастает и становится выше, чем у покадровых кодеков. Кроме того, покадровые кодеки, в основе которых лежит Wavelet-преобразование, имеют свойство, которое можно удачно использовать для масштабирования видеопотока и оптимизации сетевого трафика. Речь об этом пойдет ниже.
Прореживание кадров
Если не хватает пропускной способности канала для передачи данных или система не справляется с распаковкой большого количества данных, происходит потеря части видеоинформации. Для системы, использующей покадровый кодек, безболезненно можно осуществлять прореживание потока, выражающееся в пропускании некоторых кадров. При этом качество отдельных кадров никак не страдает, теряется лишь плавность показа движущихся объектов.
Совсем по-другому дело обстоит с межкадровыми кодеками. Поскольку опорные кадры являются образующими для целой серии промежуточных кадров, если случается потеря данных, содержащих опорный кадр, то выпадает целый временной промежуток видеоизображения. "Картинка" замирает, а затем продолжается с другого кадра.
Масштабирование потока видеоданных и оптимизация сетевого трафика
Покадровые алгоритмы компрессии, такие как Wavelet и JPEG-2000, являются довольно требовательными к вычислительным ресурсам. С одной стороны, они, как правило, здесь проигрывают межкадровым алгоритмам, правда, с оговоркой об имеющейся степени свободы в реализации межкадровых кодеков.
С другой – покадровые кодеки, основанные на Wavelet-преобразовании (Wavelet, JPEG-2000), имеют удобную структуру организации данных, которая может быть с успехом использована для оптимизации и масштабирования потоков.
Дело в том, что в этих алгоритмах компрессии данные о каждом кадре имеют блочную структуру. Каждый блок содержит данные об изображении, детализирующие данные из предыдущего блока. Это позволяет, используя минимум вычислительных ресурсов, из потока компрессированных данных получать поток этих данных с изображением меньшего разрешения, тогда как в случае использования межкадровых кодеков кадр требуется распаковать, уменьшить и запаковать снова.
Алгоритмы сжатия: у разных объектов свои требования
Используемый алгоритм компрессии – одна из основных характеристик системы видеонаблюдения. Можно сказать, что для задач, решаемых профессиональными охранными системами на крупных и средних объектах, более применимы системы видеонаблюдения с покадровыми алгоритмами компрессии. Это утверждение основано на том, что каждый кадр, полученный с помощью подобной системы, может быть использован для анализа. Свои преимущества имеют и системы с межкадровыми алгоритмами. В ряде случаев эти преимущества могут оказаться основополагающими, особенно если это касается небольших объектов, где не слишком важна документальность записей, а также нет жестких требований к качеству изображения. Отчасти это подтверждается тем, что большинство DVR, специализированных устройств для небольших объектов, используют как раз межкадровые кодеки.
Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #6, 2007
Посещений: 17071
Автор
| |||
В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
