Стандарты и стандартизация

Существует несколько международных организаций, которые занимаются разработкой стандартов для цифрового видео. Более всего известен Международный телекоммуникационный союз ITU (International Telecommunication Union ), который является агентством ООН, специализирующимся в сфере телекоммуникаций. Подразделение ITU‑T является его постоянным органом. Оно занимается изучением технических и текущих вопросов, а также вопросов, связанных с тарификацией, и выпускает рекомендации, нацеленные на международную стандартизацию. Международная ассамблея стандартизации телекоммуникаций WTSA (World Telecommunication Standardization Assembly ) собирается раз в четыре года и определяет темы для изучения рабочими группами ITU‑T, которые, в свою очередь, готовят рекомендации по этим темам. Утверждение рекомендаций ITU‑T подробно описано в Резолюции 1 WTSA. В некоторых сферах, которые попадают в поле зрения ITU‑T, необходимые стандарты разрабатываются совместно с другими организациями, такими, как ISO и IEC.

Международная организация по стандартизации ISO (International Organization for Standardization ) и Международная электротехническая комиссия IEC (International Electrotechnical Commission ) являются основой специализированной системы международной стандартизации. Национальные институты, члены ISO и IEC, участвуют в разработке международных стандартов через технические комитеты ISO и IEC.

Эти технические комитеты создаются для работы над определенными техническими вопросами и имеют свою специализацию. Комитеты ISO и IEC сотрудничают в сфере взаимных интересов. Другие международные организации, правительственные и неправительственные организации, связанные с ISO и IEC, тоже принимают участие в разработке стандартов. В сфере информационных технологий ISO и IEC организовали совместный комитет ISO/IEC JTC1. Предварительные стандарты, разработанные техническим комитетом, передаются для голосования в национальные институты для голосования. Для утверждения стандарта в качестве международного необходимо одобрение не менее 75 % организаций, имеющих право голоса.

Некоторые рекомендации, такие, как новый стандарт Н.264, были подготовлены совместно группами ITU‑T SG16 Q.6, которая известна как VCEG (Video Coding Experts Group), и ISO/IEC JTC1/SC29/WG11, которая также называется MPEG (Moving Picture Experts Group). Группа VCEG была сформирована в 1997 году для поддержки уже существовавших стандартов ITU‑T кодирования видео и для разработки новых стандартов для применения в широкой сфере коммуникационных и некоммуникационных приложений.

Группа MPEG (экспертная группа по вопросам движущегося изображения) была образована в 1988 году с целью разработки стандартов кодирования аудио и видео для различных сфер применения, таких, как хранение, распространение и передача цифровой информации.

Следует отдельно оговорить и то, что хотя в видеонаблюдении мы используем видеосигнал и будем говорить о сжатии движущихся изображений, нашло применение и сжатие отдельных неподвижных изображении. Поэтому, чтобы подчеркнуть разницу между этими двумя видами сжатия, мы будем говорить о сжатии видеоизображения (подвижного) и сжатии изображения (неподвижного). (Однозначной терминологии в русском языке не существует. Можно говорить о сжатии изображения и сжатии видеопотока. Прим. ред .)

Алгоритмы сжатия видеоизображения используют три измерения: горизонтальное, вертикальное и временное . Поэтому такой вид сжатия часто называют еще временным и межкадровым. Типичным примером алгоритмов с межкадровым сжатием являются MPEG‑1, MPEG‑2, MPEG‑4, H.263 и Н.264.

Алгоритмы сжатия изображения используют только два измерения: горизонтальное и вертикальное.

Типичными его представителями будут JPEG и Wavelet (JPEG‑2000).

В видеонаблюдении нам очень часто приходится сталкиваться со сложной задачей выбора оптимального алгоритма сжатия для какой‑либо конкретной задачи. Запомните, простого и однозначного решения этой задачи не существует. Очень часто многое зависит от того, насколько хорошо мы понимаем различия между различными алгоритмами сжатия, но еще важнее знать, для чего нужна система видеонаблюдения.

Если цифровая система видеонаблюдения должна обеспечивать безопасность кассира в банке или раздающего карты в казино, то необходимы высокие скорости записи и отображения. Очень часто будет предпочтительна скорость «живого» видео (25 кадров в секунду для PAL и 30 – для NTSC), хотя в некоторых случаях будет достаточно и 10 кадров в секунду. Скорость записи и отображения теоретически можно снизить еще больше, но это не будет практичным решением. В данном случае тестирование поможет вам выбрать оптимальное решение.

В качестве другого примера приведем типичную задачу записи повседневной активности людей. Например, люди входят и выходят из фойе здания. В данном случае высокая скорость записи только увеличит объем архива, что снизит общую эффективность системы видеонаблюдения, так как архивные записи еще кому‑то впоследствии потребуется просмотреть и проанализировать. Повседневную человеческую деятельность достаточно записывать со скоростью 2 кадра в секунду (хотя можно и повысить скорость), при условии что качество изображения достаточно высоко, а уровень сжатия низок. Что мы увидим в записи и насколько высок будет уровень детализации, зависит от угла обзора объектива, но если на изображении можно разглядеть лицо человека при высокой скорости записи, то это можно будет сделать и при скорости записи 2 кадра в секунду.

Еще одной важной технологией записи, которую применяют в видеонаблюдении, является запись с мультиплексированием. В современном цифровом видеонаблюдении мы во многом копируем то, что было сделано во времена аналоговой записи с использованием видеомультиплексоров и видеомагнитофонов. В настоящее время типичный цифровой видеорегистратор, используемый в видеонаблюдении, на самом деле представляет собой устройство, в котором объединены функции видеомультиплексора и видеомагнитофона с цифровой записью. В таких устройствах удобнее применять сжатие изображения, а не сжатие видеоизображения, так как цифровой видеорегистратор будет сжимать телевизионные кадры или поля как отдельные изображения, от какой бы телекамеры ни пришло то или иное изображение. Некоторые возразят, что серьезным недостатком алгоритмов сжатия изображения, которые используются в цифровых видеорегистраторах с мультиплексированием, будет достаточно большой размер одного изображения (обычно при хорошем качестве одно сжатое телевизионное поле занимает примерно 30–60 килобайт). Но преимуществом таких алгоритмов сжатия изображения оказывается то, что каждое изображение будет независимым от других, то есть оно само по себе содержит достаточно информации, чтобы его можно реконструировать, не пользуясь предшествующими или последующими кадрами записи. Юридически в некоторых случаях такие алгоритмы сжатия изображения будут предпочтительнее по причине независимости отдельных кадров записи. Это, конечно, не означает, что сжатие видеоизображения не позволит использовать запись в суде, а только подчеркивает тот факт, что алгоритмы сжатия видеоизображения реконструируют нужный кадр на основе предшествующих или последующих кадров записи. При использовании алгоритмов сжатия изображения мы можем иметь значительно более низкую скорость записи, чем 25 кадров в секунду (29.97 кадров в секунду для NTSC), что позволяет экономить пространство жесткого диска. А в сочетании с записью по детектору движения, которая имеется в большинстве цифровых видеорегистраторов с записью с мультиплексированием, это превращает DVR в очень мощную замену традиционной комбинации видеомультиплексора и видеомагнитофона. Поэтому на один цифровой видеорегистратор сейчас можно записывать без перезаписи несколько телекамер со скоростью нескольких кадров в секунду в течение многих дней, недель и даже месяцев. Об этом можно было только мечтать еще 5‑10 лет назад.

Когда мы хотим достичь максимально возможного качества с максимально возможной скоростью записи в цифровых видеорегистраторах, лучше всего подходит межкадровое сжатие, поскольку оно эксплуатирует межкадровую избыточность видеопотока. Впрочем, для достижения максимальной эффективности требуется продолжительный по времени видеосигнал от одной телекамеры. Другим достоинством алгоритмов сжатия видеоизображения является то, что поддержка записи звука в них включена изначально. Алгоритмы с межкадровым сжатием используют предсказание движения (не путать с детектированием движения), что делает движение более плавным при воспроизведении. Кстати, именно поэтому такие алгоритмы и не используются при записи с мультиплексированием.

Более того, если в цифровом видеорегистраторе есть несколько видеовходов и межкадровое сжатие, то скорее всего по каждому входу он записывает на жесткий диск независимые видеопотоки.

Еще одна важная особенность, напрямую связанная с межкадровым сжатием, заключается в появлении задержки (отставания), которая хорошо заметна в таких стандартах сжатия, как MPEG‑1 и MPEG‑2. Это непосредственно связано с принципами, реализованными в межкадровом сжатии, где избыточность видеосигнала сокращается при сравнении кодируемого кадра с предшествующим и последующим, что требует буферизации и вызывает задержку при кодировании и декодировании. Этот эффект более всего заметен в стандарте MPEG‑2, где высокое качество изображения достигается при высокой скорости передачи данных (обычно более 4 Мбит/с), что вызывает задержку от половины до одной секунды. В вещательном телевидении или при просмотре фильма на DVD такая задержка видеосигнала не будет существенной, но она может стать серьезной проблемой в видеонаблюдении, когда нужно управлять поворотной камерой, сигнал которой кодируется для передачи по сети. Впрочем, снизив скорость передачи данных и уменьшив размер структуры GOP (group of pictures ), можно добиться приемлемой задержки в 200 миллисекунд и даже меньше с незначительным ухудшением качества изображения.

Рис. 9.4. Один и тот же фотоснимок с различным разрешением: 50x50, 100x100 и 200x200 пикселов

Стандарты сжатия видеоизображения, которые используют низкую скорость передачи данных и предназначены для видеоконференций (то есть предусматривают двустороннюю передачу видеопотоков), такие, как Н.263 и MPEG‑4 имеют значительно меньшую задержку, хотя качество изображения тоже снижается.

За последнее десятилетие технологии обработки и сжатия изображения эволюционировали очень быстро и значительно. Хотя в большинстве случаев MPEG‑2 доминирует в индустрии вещательного телевидения и DVD, не исключено, что новые и более эффективные стандарты сжатия со временем его вытеснят. К момену написания этой книги самым новым и наиболее перспективным стандартом сжатия видеоизображеия считался Н.264 (на базе MPEG‑4 v.10, также известный как кодек AVC, advanced video codec), a самым новым и перспективным стандартом сжатия изображения был JPEG‑2000 (на базе Wavelet‑сжатия). Впрочем, будущее покажет, так ли это на самом деле.

Теперь перечислим стандарты сжатия, которые используются или могут быть использованы в ближайшeм будущем в видеонаблюдении. Более подробно мы их рассмотрим далее в этой главе.

– JPEG и Motion‑JPEG (сжатие изображения)

– JPEG‑2000 /Wavelet и Motion JPEG‑2000 (сжатие изображения)

– MPEG‑1 (сжатие видеоизображения, используется скорость передачи данных 1–3 Мбит/с)

– MPEG‑2 (сжатие видеоизображения, используется скорость передачи данных 1‑30 Мбит/с)

– MPEG‑4 (сжатие видеоизображения, используется еще меньшая скорость передачи данных 9.6 кбит/с‑1.5 Мбит/с)

– MPEG‑7 (новая концепция, имеющая функции интеллектуального поиска объектов)

– MPEG‑21 (самая новая концепция, обещающая большую степень интеграции возможностей семейства MPEG)

– Н.261 (сжатие видеоизображения, один из первых и самых старых стандартов, предназначен для видеоконференций, использует скорости передачи, кратные 64 кбит/c, характерные для ISDN)

– Н.263 (улучшенный Н.261, использует еще меньшие скорости передачи данных)

– Н.264/AVC (новый и прогрессивный стандарт сжатия видеоизображения с широкой областью применения)

– Другие (собственные и гибридные реализации)

Рис. 9.5. Аналого‑цифровое преобразование начинается с дискретизации и квантования аналогового видеосигнала

Существуют и другие, гибридные виды сжатия, которые сочетают особенности сжатия изображения и сжатия видеоизображения. Например, сжатие типа Motion Wavelet или Multi‑Layer JPEG и другие собственные разработки компаний‑производителей.

Преимущества аппаратной компрессии очевидны: скорость сжатия постоянна и не зависит от загруженности центрального процессора другими задачами (передача по сети, резервное копирование данных и т. д.).

Впрочем, общеизвестно, что программная компрессия позволяет легко и быстро модифицировать устройства записи и добавлять новые функции, так как она зависит только от программного кода, который можно легко обновить.