Необходимость сжатия

Для того чтобы показать, какой поток данных потребуется для передачи видео, оцифрованного согласно рекомендации ITU‑601, мы проведем несколько простых вычислений. Умножим количество отсчетов в каждой строке (864 для PAL и 858 для NTSC) на количество строк телевизионного стандарта (625 и 525).

Результат мы умножим на количество кадров в секунду (25 и 30), и получим одинаковый поток данных при оцифровке каждого телевизионного стандарта, предполагая, что для представления яркостного сигнала используется 8 битов, и 8 битов для представления двух цветоразностных сигналов (4 бита для С_г и 4 бита для С_b).

Для PAL : 864 х 625 х 25 х (8+8) = 216 Мбит/с, из которых активный видеопоток составит 720 х 576 х 25 х 16 = 166 Мбит/с.

Для NTSC : 858 х525 х 29.97 х (8+8) = 216 Мбит/с, из которых аналогичным образом активный видеопоток составит 720 х 480 х 29.97 х 16 = 166 Мбит/с.

Этот поток данных указан для несжатого видео, оцифрованного согласно рекомендации ITU‑601 с форматом оцифровки 4:2:2. Если используется формат оцифровки 4:4:4 или 10‑битный диапазон уровней квантования, вместо 8‑битного (что применяется в вещательном телевидении при обработке и редактировании видео), то видеопоток еще больше увеличивается. Для системы видеонаблюдения использование такого видеопотока будет непрактичным, так как пропускной способности обычных локальных сетей Fast Ethernet не хватит даже для одной телекамеры, не говоря о том, чтобы работать одновременно с несколькими, как это бывает обычно. Поэтому в первую очередь к оцифрованному видео обязательно нужно применить сжатие.

Цифровые системы видеонаблюдения без сжатия изображения были бы невозможны.

Существуют различные стандарты сжатия изображения в вещательном телевидении, для передачи видео в сети Интернет, для записи на DVD и т. д., но в индустрии видеонаблюдения используются http://www.itv.ru ITV– генеральный спонсор 2‑го издания книги «CCTV. Библия видеонаблюдения» практически все стандарты сжатия, за исключением немногих, что позволяет достичь лучшего компромисса между максимально высоким уровнем сжатия и максимально возможным качеством изображения.

Рис. 9.21. Типичное отображение нескольких телекамер на одном экране, что обычно доступно в режиме наблюдения и просмотра архива.

Это особенно важно, когда на один цифровой видеорегистратор мы записываем несколько телекамер (мультиплексированная запись нескольких телекамер, обычно 16, 18, 24 или 32 телекамеры). Существует большое количество стандартов сжатий и их разновидностей, которые предлагают различные преимущества.

Один кадр несжатого видео может занимать около 1.244 Мбайт для PAL (720x576x3 = 1.2 Мбайт), если мы предполагаем 3 цветовые компоненты и 8‑битную оцифровку, а 8 бит равно сжатыми изображениями, размер которых менее 1 байт. В видеонаблюдении мы обычно имеем дело со 100 кбайт, а зачастую даже меньше 10 кбайт.

Рис. 9.22. Графическое представление эффективности алгоритмов сжатия по сравнению с несжатым изображением. Обратите внимание на большую эффективность сжатия MPEG‑2 при том же качестве

Когда используется компрессия видеоизображения (вместо компрессии отдельных изображений), то обычно указывается не размер одного кадра, а видеопоток в кбит/с или Мбит/с. Таким образом, видеопоток хорошего качества при сжатии MPEG‑2 составит порядка 4 Мбит/с. Поток видео среднего качества для передачи по сети Интернет при сжатии MPEG‑4 составит примерно 256–512 кбит/с. Насколько сильно можно сжимать видео, зависит от того, сколькими деталями вы готовы для этого пожертвовать и какое сжатие вы используете. Впрочем, в любом случае без сжатия не обойтись.

Нужно также понимать, что возможна и дополнительная обработка оцифрованного видеосигнала до или после сжатия. В некоторых случаях цифровая обработка заключается в простом масштабировании кадров для размещения их в меньших по размеру окнах (как это происходит в видеоквадраторах), но существуют и более сложные алгоритмы. Например, алгоритмы повышения контраста могут проводить сравнение каждого пиксела с соседними и на основании сравнения изменять значения пиксела. Алгоритмы шумоподавления, детекторов движения и другие также относятся к сфере дополнительной обработки цифрового видеосигнала.

Когда видеосигнал оцифрован и сжат, то его можно сохранить (записать) и передать по локальной сети, по сети Интернет или по другим каналам связи значительно быстрее. Это только немногие преимущества цифрового видео, которые недоступны для аналогового видеосигнала.

Преимущества передачи цифрового видео по сети очевидны: локальные сети уже проложены во многих офисах, учебных заведениях, на фабриках и заводах. Если ответственный IT‑персонал дает разрешение на использование местных локальных сетей для передачи видео, то цифровые системы видеонаблюдения можно очень легко и быстро интегрировать с существующими сетями. Кроме того, можно значительно увеличить дистанцию передачи видеосигнала, объединяя несколько соседних локальных сетей в единую структуру. Очевидно, что в эпоху массового развития сети Интернет локальные системы видеонаблюдения могут легко быть объединены в крупномасштабную систему, соединяющую ее локальные компоненты, даже разбросанные по разным континентам, так же легко, как если бы они были расположены через улицы друг от друга.

Рис. 9.23. Типичная сетевая телекамера. Обратите внимание, что у нее нет аналогового видеовыхода

Локальные сети и кабели, используемые в них, тоже имеют свои ограничения (их мы рассмотрим детально в главе, посвященной сетевым технологиям), и для увеличения расстояния передачи цифрового видеосигнала необходимо использовать такие сетевые устройства, как повторители (репитеры, network repeaters). Впрочем, их функции выполняют и сетевые коммутаторы и маршрутизаторы.

Многие современные цифровые системы видеонаблюдения могут использовать для передачи видеосигнала и сеть Интернет, и как только мы подключаем их к этой сети, то все ограничения на максимальную дистанцию передачи видеосигнала пропадают, так как провайдеры услуг доступа в Интернет сами заботятся о репитерах и усилении сигнала, которые необходимы, чтобы мы могли передавать информацию из одной точки в другую, независимо от расстояния, их разделяющего.

Сейчас уже доступны действительно цифровые телекамеры, которые обычно называются сетевыми телекамерами (IP‑camera, LAN camera). Мы о них говорим как о действительно цифровых устройствах, и они заслуживают такого наименования, поскольку их можно подключить напрямую в существующие локальные сети и просматривать через веб‑броузер, используя их IP‑адрес, в отличие от цифровых телекамер, которые получили такое название за цифровую обработку сигнала и генерируют на выходе аналоговый видеосигнал. Сейчас в большинстве случаев сетевые телекамеры используются в небольших инсталляциях, для промышленного или специализированного видеонаблюдения в научных целях, а также для проведения видеоконференций в сети Интернет. При современном развитии технологии по качеству изображения и скорости обновления кадров сетевые телекамеры пока еще уступают аналоговым телекамерам. Впрочем, цифровая обработка и технологии сжатия изображения развиваются настолько быстро, что время, когда сетевые телекамеры сравняются с аналоговыми телекамерами, придет очень быстро.

Размеры видеопотоков хорошего качества от нескольких телекамер могут быть достаточно велики, несмотря на сжатие изображения, а это потребует применения лучших кабелей для повышения пропускной способности локальной сети. Но куда более важно то, что большая часть системных администраторов и IT‑специалистов, отвечающих за поддержку сети, которую планируется использовать для передачи видеосигналов, сразу выскажут свои опасения относительно того, что ваша цифровая система видеонаблюдения может перегрузить имеющиеся локальные сети. Поэтому очень часто вы будете сталкиваться с требованием ограничения потоков данных от цифровой системы видеонаблюдения, или даже с необходимостью построения новой локальной сети, выделенной исключительно для передачи цифрового видео. Такая необходимость потребует от нас знания сетевых технологий, протоколов TCP/IP и всего остального, что нужно при переходе от аналогового телевидения к цифровому. Сетевые технологии мы рассмотрим в отдельной главе.

А сейчас мы остановимся на технологиях сжатия изображения в том виде, в каком они используются в видеонаблюдении.