Типы видеосжатия

В цифровых системах видеонаблюдения используются почти все доступные стандарты сжатия: JPEG, M‑JPEG, Wavelet, H.263, MPEG‑1, MPEG‑2, JPEG‑2000, MPEG‑4, H.264 и т. д.

Существует большое количество разнообразных технологий сжатия. Как из них выбрать самый оптимальный для конкретного случая способ сжатия?

Безусловно, найти ответ на этот вопрос будет нелегко. Следует понимать теорию оцифровки изображения и ограничения телевизионных стандартов, на которые будут накладываться ограничения оцифровки видео и сжатия.

В общих чертах можно сказать, что существует два основных типа сжатия изображения/видео: сжатие без потерь и сжатие с потерями.

Сжатие без потерь позволяет добиться только очень низкого уровня сжатия (обычно в три‑четыре раза по сравнению с несжатым оригиналом) и используется в основном в вещательном телевидении и при видеомонтаже. Поэтому в этой книге мы будем рассматривать различные стандарты сжатия с потерями.

Сжатие с потерями означает, что некоторые детали изображения или видеопотока будут потеряны и их невозможно будет восстановить никаким способом и никакой дополнительной обработкой. Хорошим стандартом сжатия следует считать не тот, который позволяет добиться очень высокого уровня компрессии, а такой стандарт, который позволяет достичь лучшего компромисса между качеством и размером видеопотока.

Рис. 9.24. Правильный выбор сжатия, телекамеры и объектива позволяет четко рассмотреть номер автомобиля

Одним из наиболее популярных стандартов сжатия сегодня считается JPEG, который чаще всего используется в цифровой фотографии. Мы все с ним знакомы, и читатели, вероятно, неоднократно сталкивались с тем фактом, что десятикратное сжатие JPEG практически не вносит заметных искажений в изображение. Таким образом, если вы пользуетесь цифровым фотоаппаратом с разрешением 4 мегапиксела, то размер одной фотографии без сжатия может достигать 12 Мбайт, что немало, когда нам нужно обрабатывать такой большой файл или хранить его на карте памяти объемом 32 Мбайт. Но если мы используем типичный уровень сжатия 1:10, то не заметим ощутимой разницы в качестве фотографии, зато с файлом будет удобнее работать и таких файлов больше поместится на карте памяти. В видеонаблюдении нам обычно требуется уровень сжатия значительно выше десятикратного. Не забывайте о том, что только один оцифрованный телевизионный кадр занимает около 1 Мбайт, а десятикратное сжатие уменьшит его всего до 100 кбайт.

Существуют цифровые видеорегистраторы и сетевые телекамеры, которые работают и с такими кадрами, но в большинстве случаев необходимость длительного хранения архива заставляет использовать более высокий уровень сжатия.

Нередко можно видеть, как производители заявляют о 100‑кратном сжатии одного телевизионного поля.

Здравый смысл подсказывает нам, что потери будут очень значительными при столь высоких уровнях сжатия, а кроме того появятся артефакты сжатия, которые очень нежелательны. И нам снова придется искать компромисс между приемлемым качеством и небольшим размером видеопотока. Справедливости ради нужно сказать, что существуют очень интересные и остроумные решения (обычно собственные разработки отдельных производителей), которые позволяют заметно уменьшить размеры видеопотока за счет сокращения его избыточности (например, статичный фон записывается только один раз, а далее учитываются только разница между кадрами, которая создается не статичным фоном, а движущимися объектами).

Все это похоже на принципы работы семейств стандартов MPEG и Н.26х. Независимо от вашего выбора стандарта сжатия, источник видеосигнала, то есть сама телекамера должна иметь самое лучшее качество из доступного. А это означает, что необходимо выбирать качественную телекамеру и качественный объектив. И только тогда, когда нам удалось оптимизировать изначальный аналоговый видеосигнал для отображения всех нужных деталей и цветов, мы можем постараться получить оцифрованное видео почти такого же качества.

Рис. 9.25. Несжатое изображение (слева, 720x576 пикселов, примерно 1.2 Мбайт) и то же самое изображение, сжатое JPEG со 100‑кратным уровнем сжатия (справа).

Вы не сможете увидеть в цифровой записи тех деталей, которые изначально позволяла увидеть телекамера. Это представляется слишком общим и банальным утверждением, но мне часто приходилось встречать специалистов индустрии безопасности, которые пытались разглядеть автомобильный номер на цифровой записи, тогда как телекамера уже изначально не позволила бы его увидеть. Существует очевидное и очень простое правило, цифровая запись никогда не окажется лучше, чем оригинальный сигнал телекамеры.

Имеет смысл вложить средства в покупку качественных телекамер и объективов. В качественной телекамере имеется ПЗС‑ или КМОП‑матрица высокого разрешения, хорошее соотношение сигнал/шум, широкий динамический диапазон, низкая чувствительность и хороший объектив. Основываясь на практике, следует заметить, что при использовании аналоговых телекамер для цифровой записи их соотношение сигнал/шум имеет первостепенное значение для оцифрованного изображения. Разрешение тоже важно, но соотношение сигнал/шум будет, вероятно, даже важнее по той простой причине, что при слишком сильных шумах алгоритмы сжатия изображения имеют тенденцию их увеличивать, принимая их за мелкие детали. Поэтому если у телекамеры низкое соотношение сигнал/шум (то есть изображение содержит много шумов), то после сжатия изображение будет выглядеть значительно хуже, чем до него. Проще говоря, чем лучше соотношение сигнал/шум (от 50 дБ и выше), тем выше качество у оцифрованного видеосигнала.

Качество оцифрованного видеосигнала, если при этом использовалась рекомендация ITU‑601, будет примерно таким же, как у исходного аналогового видеосигнала.

После того как качественный аналоговый видеосигнал будет оцифрован согласно рекомендации ITU‑601, качество цифрового видеосигнала будет почти таким же, как у исходного аналогового видеосигнала (при условии, что мы оцифровываем полный кадр). Затем на стадии сжатия происходит дальнейшее снижение качества изображения. Поэтому сжатие является фактором, ограничивающим разрешение.

Здесь следует сделать важное замечание о том, что не следует смешивать такие понятия, как количество пикселов и потеря разрешения в результате сжатия. Когда мы используем полнокадровый ввод и последующее сжатие видео, количество пикселов остается постоянным, допустим 720x576 пикселов, но артефакты сжатия могут снизить разрешение. Поэтому мы и говорим, что сжатие изображения является дополнительным фактором, ограничивающим разрешение.