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.

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.