Об особенностях реализации кодеков
Поговорим о стандартных алгоритмах компрессии, не принимая к рассмотрению проприетарные кодеки, самостоятельно разработанные отдельными компаниями, 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 использования покадрового и межкадрового сжатия, достойно упоминания следующее обстоятельство. В стандартах межкадровых алгоритмов компрессии, наиболее часто используемых в охранном телевидении, таких как MPEG2/4, H.264, зафиксированы требования к структуре сжатых данных. В то время как способ вычисления отдельных параметров (таких, как, например, вектора смещения движущихся объектов в промежуточных кадрах) отдается на откуп разработчикам конкретной реализации алгоритма. Поэтому качество реализации алгоритмов межкадровой компрессии в системах видеонаблюдения различных производителей может существенно различаться. Это отражается на качестве картинки, наличии различных артефактов, а также объеме потока компрессированных данных.
В то же время для покадровых алгоритмов, таких как JPEG, JPEG2000, стандарт не допускает каких либо вольностей, и различные реализации могут отличаться только производительностью.
Сетевой трафик и размер архива
Объем трафика, создаваемый передаваемыми видеоданными, сжатыми межкадровыми алгоритмами компрессии, заметно меньше, чем данными, сжатыми покадровыми кодеками. То же самое касается и размера архива видеоданных. Собственно, в этом и заключается смысл применения межкадровой компрессии.
Для изображения в полном PAL-овском разрешении 720 х 576 при частоте 25 кадров в секунду поток видеоданных, сжатых кодеком JPEG2000, составляет порядка 12–16 Мбит/сек. При том же качестве изображения поток, сжатый MPEG2/4, обычно составляет 4–8 Мбит/сек. 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 производными 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 получалась, если нажать паузу на аналоговом видеомагнитофоне при просмотре динамичной сцены. В большинстве случаев, если не попасть на опорный кадр, картинка была сильно размыта в областях с движущимися объектами. Тем не менее, при обычном проигрывании записи изображение выглядит нормально.
Вот из таких «размазанных» кадров в большинстве своем и состоит архив, записанный системой видеонаблюдения, использующей межкадровые кодеки. В случае необходимости разбора инцидента, зафиксированного системой видеонаблюдения, может случиться так, что у вас будет всего 1–2, а может, и ни одного опорного кадра, пригодного для анализа записи и идентификации объектов. Для проведения криминалистических экспертиз принимаются только кадры покадровых алгоритмов сжатия или опорные кадры межкадровых алгоритмов. Обычно опорные кадры идут с интервалом 1–2 секунды, 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 места.
Масштабирование потока видеоданных и оптимизация сетевого трафика
Покадровые алгоритмы компрессии, такие как wavelet и JPEG2000, являются довольно требовательными к вычислительным ресурсам. Как правило, здесь они проигрывают межкадровым алгоритмам, правда, с оговоркой об имеющейся степени свободы в реализации межкадровых кодеков.
С другой стороны, покадровые кодеки, основанные на wavelet-преобразовании (wavelet, JPEG2000), 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. При этом каждый блок содержит данные об изображении, детализирующие данные из предыдущего блока. Это позволяет из потока компрессированных данных получать поток компрессированных данных с изображением меньшего разрешения, используя минимум вычислительных ресурсов. Тогда как в случае использования межкадровых кодеков кадр требуется распаковать, уменьшить и запаковать снова.
Используемый алгоритм компрессии является одной 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.
В то же время системы с межкадровыми алгоритмами имеют свои преимущества, которые в ряде случаев могут оказаться основополагающими, особенно это касается небольших объектов, где не слишком важна документальность записей и нет жестких требований к качеству изображения. Отчасти это подтверждается тем, что большинство DVR, специализированных устройств для небольших объектов, используют как раз межкадровые кодеки.