Видеонаблюдению требуются специальные решения по компрессии данных.
Для современных технологий видеонаблюдения большие объемы изображений высокой четкости и мегапиксельных форматов больше не представляют проблемы в системах видеонаблюдения. Гигабитные сети Ethernet и терабайтные жесткие диски позволяют уделить основное внимание конечной задаче CCTV-систем: сбору высококачественной информации, существенной для безопасности. Однако для этого требуются модифицированные методы сжатия данных. Те, что заимствованы из мультмедийных приложений, такие как H.264 или MPEG-4, ограничивают возможности систем видеонаблюдения. На первый взгляд они экономят затраты, поскольку снижают требования к пропускной способности, но в конечном счете оказываются фактором увеличения стоимости систем в целом.
Пользователи часто полагают, что если продукты разных производителей, работающие по одним и тем же стандартам, то они сравнимы по параметрам стоимости, качества и гибкости. Это существенное заблуждение.
Различия между продуктами могут быть очень серьезными даже для такой относительно однородной сферы, как мультимедиа. Они будут еще более резкими при применении их в таких сферах с существенно различающимися целями – мультимедиа и охранное телевидение.
Стандарты типа H.264 дают свободу в разработке способов для сжатия данных, но эта разработка оказывается дорогой. Поэтому многие производители систем видеонаблюдения при небольших рынках сбыта своей продукции стараются избегать новых разработок и часто прибегают к использованию дешевых решений из сферы мультимедиа. Такие решения при попытке их применения в целях, для которых они не предназначены, могут оказаться непригодными из-за появления ряда компромиссов. Это значит, что некоторые производители, возможно, уже много лет сознательно вводят пользователей в заблуждение. При этом они экономят затраты на разработку, а проблемы, которые вполне могли бы быть ими решены, перекладывают на плечи пользователей.
Что может произойти, если специфические требования задач видеонаблюдения при разработке продуктов для сжатия данных не будут учитываться, можно показать на примере так называемой проблемы цепочек кадров P-типа.
Проблема компрессии с межкадровым сжатием
Компрессия видеоданных бывает покадровой, например MJPEG, а также с межкадровым сжатием, например MPEG-2, MPEG-4 и H.264. При методе MJPEG сжатию подвергается каждый отдельный кадр изображения независимо от других. Компрессия с межкадровым сжатием предполагает разбиение кадров на группы. В группе первый кадр является опорным и кодируется независимо от других. Для остальных, называемых промежуточными, кадров кодируются только изменения относительно опорного и предшествующего.
Компрессия отдельных кадров и компрессия с межкадровым сжатием. Образование промежуточных кадров в большинстве продуктов производится только по отношению к предыдущим кадрам изображений
Поскольку изменения в изображениях от кадра к кадру часто небольшие, то при использовании компрессии с межкадровым сжатием генерируется незначительное количество данных по сравнению с методами компрессии отдельных кадров, благодаря чему снижаются затраты на хранение и передачу сжатого видео. Однако при этом появляются существенные недостатки. Поскольку для промежуточных кадров имеется только информация об изменениях, то при декодировании в памяти должны находиться все кадры, которые использовались для образования этих изменений. Это повышает затраты на декомпрессию данных. Если, например, теряется один из кадров, на которые имеется ссылка в конкретном текущем кадре, то полная декомпрессия уже не может быть выполнена без искажений.
Для мультимедийных приложений компромиссы, связанные с этой проблемой, часто вызывают лишь некоторые неудобства: прогоны вперед/назад от кадра к кадру в DVD-записях возможны только большими «шагами». При прямой телевизионной трансляции изображений при наличии помех возможны потери кадров изображений, которые приводят к искажениям в последующих кадрах последовательности. Переходы с канала на канал при цифровой передаче данных связаны с относительно большим временем ожидания. В сфере мультимедиа вообще не существует прямой телевизионной трансляции реальных изображений, так как используемые методы компрессии допускают потерю данных и вносят задержки до нескольких секунд. Но если в мультимедийных приложениях с этими неудобствами можно смириться, то в охранном телевидении такие недостатки существенны и влияют на безопасность в целом.
Проблема цепочек кадров P-типа
Обычно вариант компрессии видеоданных методом с межкадровым сжатием оперирует с цепочками так называемых кадров P-типа. Кадры изображений в последовательности или в группе кадров изображений (GOP – Group of Pictures) образуют цепочку кадров, которая начинается опорным кадром, так называемым кадром I-типа, т. е. кадром, который не зависит от других кадров.
Образование цепочек кадров P-типа, содержащих изменения в изображениях
Влияние потери кадра на последующие кадры цепочки кадров P-типа
В кадрах из цепочки кадров P-типа подвергаются компрессии и сохранению только изменения в изображениях. При каждой генерации очередного опорного кадра, кадра I-типа, начинается новая цепочка кадров, которая дополняется кадрами P-типа, получаемыми путем расчетов изменений к соответствующему предыдущему кадру. Для декомпрессии каждого очередного кадра такой цепочки кадров P-типа необходимо декомпрессировать все предыдущие кадры этой цепочки, включая опорный кадр, кадр I-типа. Если из цепочки теряется какой-либо кадр, то все последующие кадры могут быть декомпрессированы только с искажениями. При этом в потоке изображений могут возникать пустоты длительностью до нескольких секунд в зависимости от частоты кадров и количества кадров в цепочке.
Для применения в CCTV такая цепочная структура видеоданных имеет сильные отрицательные стороны, так как в ней допускается возможность потери кадров с последующим появлением артефактов, а для видеонаблюдения именно отсутствие искажений при частичной потере данных считается одним из основных требований.
Если при компрессии методом межкадрового сжатия из канала прямой трансляции в реальном масштабе выводится канал с уменьшенной в два раза кадровой скоростью, то на выходе будут искаженные изображения с артефактами.
Если выполнение этого требования невозможно, то реализация многих типичных функций и решение самих задач видеонаблюдения возможны только с ограничениями. Вот некоторые примеры.
Прямая трансляция реальных изображений и их запись на носители с разной кадровой скоростью
Это один из типичных способов уменьшения затрат на хранение видеоданных, так называемый метод замедленной записи (Time-Lapse Method) с записью изображений с переменной кадровой скоростью. Достигаемые эффекты экономии метода такого порядка, который в принципе недоступен при компрессии видеоданных. Например, для документирования некоторых процессов вполне достаточно низкой кадровой скорости 5 кадров в секунду. Однако при этом часто возникает потребность в одновременной прямой трансляции живых изображений в реальном масштабе времени. При этом если в распоряжении имеется камера, от которой поступает только один видеопоток, то запись видеоданных с замедленной скоростью путем простого прореживания кадров при использовании компрессии методом MJPEG реализуется с трудом, а при использовании компрессии методом межкадрового сжатия вообще неосуществима. Попытка сделать это приведет к разрушениям цепочек кадров P-типа, которые требуются в целом виде для декомпрессии видеоданных.
Типичные компромиссы для обхода этой проблемы состоят либо в записи видеоданных с более высокой, чем требуется, кадровой скоростью, или в замедлении воспроизведения изображений до кадровой скорости, при которой возможна одновременная запись. Результатом первого компромисса является то, что, несмотря на использование компрессии методом H.264, затраты на хранение данных могут быть выше, чем при методе MJPEG.
Видеоанализ содержимого изображений
Видеоанализ изображений часто производится в потоках видеоданных с замедленной кадровой скоростью. При этом должны анализироваться только те кадры, которые соответствуют скорости наблюдаемых процессов. Если камера имеет большой угол обзора и в ее поле зрения происходят только медленные движения, для получения полноценной информации об этих движениях может быть достаточно скорости потока видеоданных в несколько кадров в секунду. Если учесть такие факторы, то можно будет снизить нагрузку на систему и общие затраты на видеоанализ, поскольку декомпрессирование видеоданных в хост-компьютерах систем видеоменеджмента занимает существенную часть в этих затратах.
При прореживании кадров канал не сможет обеспечить условия для выполнения всех требований видеоанализа одновременно с записью и прямой трансляцией изображений в реальном масштабе времени, и тогда алгоритм видеоанализа должен будет вынужденно анализировать все кадры из потока прямой трансляции, даже если они ему не нужны. Пропуск каких-либо кадров из-за появления связанных с ним артефактов при декомпрессии в принципе недопустим, так как в этом случае искажения в изображениях будут восприниматься системой как движение в кадре, из-за чего будут возникать ложные тревоги. То есть если для видеоанализа в канале было бы достаточно кадровой скорости, (например, 5 кадров в секунду), но вынужденно приходится декомпрессировать 25 кадров в секунду, то возникает 5-кратная нагрузка на систему при декомпрессии данных, а значит, соответственно, увеличение затрат.
Перенос видеоанализа непосредственно в камеру проблему не решает. С одной стороны, вычислительные возможности камеры ограничены по сравнению с хост-компьютером, и потому многие методы, требующие большой производительности, вообще нереализуемы. С другой – даже если их реализовать в камере, то можно оказаться в большой зависимости от продукта и его производителя.
Кроме описанной здесь проблемы и связанных с ней ограничений цепочки кадров P-типа вызывают еще целый ряд других проблем, которые объединяет одно общее свойство – необходимость запрета произвольного пропуска кадров, из-за которого затруднена или даже невозможна реализация некоторых функций и выполнение определенных требований, например:
Создание видеоархивов с функцией прореживания с течением времени (Fading Long Term Memory). Предполагается, что чем старше кадры изображений, тем менее они ценны, и поэтому устаревающие видеозаписи для освобождения и экономии памяти прореживаются путем удаления из них определенных кадров, при этом кадровая скорость видеозаписей уменьшается.
Экспорт видеороликов с более низкой кадровой скоростью, чем они хранятся в видеозаписях, который бывает часто необходим для сокращения информации в конкретных условиях.
Высокие требования комфорта воспроизведения видеозаписей. Если прогон вперед/назад по единичным кадрам, замедленное движение без скачков относительно просты в реализации, то к синхронному воспроизведению нескольких записанных каналов для наблюдения ситуаций одновременно с разных углов зрения предъявляются весьма жесткие требования. Кроме того, цепочки кадров P-типа вызывают скачки при поиске кадров, что очень сильно сказывается на комфорте воспроизведения изображений.
Адекватная компрессия видеоданных для охранного телевидения
Однако все же есть возможность оптимально привести методы компрессии видеоданных с межкадровым сжатием в соответствие требованиям видеонаблюдения. Чтобы компрессия кадров P-типа не зависела от наличия всех кадров в цепочке, необходимо обратиться к таким параметрам стандартов, как степени свободы, которые обычно не играют роли. Однако техническая реализация этой задачи связана с вмешательством в процесс компрессии данных, которое предполагает, что в каждой группе кадров изображений (GOP) расчет изменений для каждого кадра P-типа должен производиться с привязкой к опорному кадру, т. е. кадру I-типа, а не к предыдущему кадру того же P-типа с формированием цепочки, как это предусмотрено стандартом. При такой реализации процесса компрессии кадры P-типа в группе кадров изображений не связаны в цепочку, и потеря отдельных из них не повлияет на декомпрессию последующих кадров.
Стандарт H.264 позволяет создавать такие структуры, но в сфере мультимедиа они не используются, так как такой подход ведет к снижению эффективности компрессии данных, к более высокой битовой скорости и связанным с ней повышенным затратам на передачу или хранение данных.
Компрессия видеоданных методом с межкадровым сжатием при не связанных в цепочку кадрах P-типа
В охранном телевидении этот недостаток во многом перевешивается выигрышем в гибкости и альтернативным сокращением затрат, например, при записи с замедленной кадровой скоростью (Time-Lapse). Идеальным является продукт для компрессии данных, который предоставляет пользователю свободу выбора между противоречивыми целями: гибкостью и эффективностью компрессии. Такие продукты уже не только существуют, но и предлагаются на рынке.
Важным функциональным параметром этих методов компрессии, специально модифицированных для видеонаблюдения, является возможность управления без задержек генерацией опорных кадров, кадров I-типа (Instantaneous-Frames). Без этой возможности во многих процессах при видеонаблюдении возникают длительные временные задержки, поскольку изменение качества изображения или разрешения возможно только в моменты, когда в потоке данных появляется новый опорный кадр, кадр I-типа. Если приходится ждать начала новой группы кадров изображений (GOP), то управление всем оборудованием и процессом становится заторможенным или даже может потеряться существенная информация, например кадры тревоги.
Вывод
Компрессию данных не имеет никакого смысла использовать для экономии каких-то 10% пропускной способности, если при этом оборудование будет работать с ненужным разрешением и повышенной битовой скоростью. Или же недостаточная гибкость доступа к кадрам изображений сильно сократит возможности эффективного использования системы. Путем относительно простых изменений в методах компрессии данных можно достичь значительных улучшений и приемлемых компромиссов между противоречивыми целями: затратами и функциональностью.
Модифицированные для видеонаблюдения продукты компрессии данных с этой точки зрения превосходят стандартные продукты, заимствованные из сферы мультимедиа. Они обеспечивают лучший баланс между затратами и гибкостью.
Статьи по теме:
Видеонаблюдение
Советы домовладельцам по обеспечению безопасности
Три критических вопроса при выборе видеоаналитики для видеонаблюдения
FCC запрещает авторизацию оборудования для китайских телекоммуникаций и оборудования для видеонаблюдения, которое считается угрозой национальной безопасности
Перенос локального видеонаблюдения в облако
Hanwha Techwin переименовывается в Hanwha Vision
Перспективы использования цифровых систем передачи изображения по радиоканалу
Датчики нейроморфного зрения в смартфонах
Ambarella добавляет новую SoC с поддержкой искусственного интеллекта для камер безопасности
