Каталог товаров

Поиск по сайту

Полезная
информация

Блог / Новости RSS 2.0

Преимущества кодека H.264 [MPEG-4 Part 10 / MPEG4 AVC] в сравнении с другими кодеками семейства MPEG и MJPEG используемыми в видеонаблюдении.

Преимущества кодека H.264 [MPEG-4 Part 10 / MPEG4 AVC] в сравнении с другими кодеками семейства MPEG и MJPEG используемыми в видеонаблюдении.
Прогресс в производстве светочувствительных матриц, выражаемый в постоянном увеличении разрешающей способности сенсоров и расширении их динамического диапазона, своевременное внедрение передовых технических решений компанией Vesta, приводит к повышению качества и детализации видеоизображения получаемого с цифровых камер, используемых в системах видеонаблюдения. Немаловажную роль в получении качественной картинки играет и способ представления видеоданных, а именно алгоритмы обработки и сжатия видеопотока. От их эффективности и математического совершенства зависит очень важный в системах видеонаблюдения критерий - соотношение Качество/Объём видеоданных.

Рассмотрим основные виды компрессии видеопотока, используемые в системах видеонаблюдения на сегодняшний день, а также рассмотрим их преимущества и недостатки: •MJPEG
•MPEG4 – к видеонаблюдению применяется в значении MPEG-4 Part 2 ASP (Advanced Simple Profile)
•H.264 / MPEG-4 Part 10 / MPEG4 AVC (Advanced Video Coding)

MJPEG - (MotionJPEG)
Покадровый метод компрессии видео, основной особенностью которого является сжатие каждого отдельного кадра видеопотока с помощью алгоритма сжатия изображений JPEG. Motion JPEG использует внутрикадровое сжатие с потерями на основе дискретного косинусного преобразования (ДКП). Эта математическая операция преобразует каждый кадр/поле видеоизображения из пространственной области в частотную область (область преобразования). Психовизуальная модель, основанная на особенностях восприятия изображений человеком, удаляет высокочастотную информацию, загрубляя резкие переходы яркости и оттенков цвета. Коэффициенты ДКП квантуются, квантованные коэффициенты затем без потерь упаковываются в выходной битовый поток с использованием кодов Хаффмана либо с помощью арифметического кодирования.

Основным недостатком данного вида компрессии является высокое потребление сетевых ресурсов, и большая требовательность к массиву хранения данных в виду отсутствия в MJPEG межкадрового сжатия, не позволяющего получать коэффициенты сжатия, превосходящие 1:20, В то время, как современные видеоформаты с межкадровым сжатием, такие как MPEG1, MPEG2, H.264/MPEG-4 AVC и им подобные, достигают реальной степени сжатия 1:50.

Пример: видеопоток MJPEG с одной IP камеры разрешением 2 Mpx, с частотой кадров 25fps, при максимальном качестве может достигать 54Мбит/с. Построение систем видеонаблюдения при использовании одного лишь MJPEG было повлекло бы гигантские затраты на обеспечение сетевой инфраструктуры и организацию массивов хранения данных.

MPEG-4
В общем своём понятии MPEG-4 является международным стандартом, используемым преимущественно для сжатия цифрового аудио и видео и включает в себя группу стандартов - так называемых «частей», каждая из которых покрывает свои аспекты в рамках общей спецификации.

В системах видеонаблюдения с целью сжатия видеопотока преимущественно используется «Часть-2» стандарта, с профилем ASP, полное название - MPEG-4 Part 2 (ASP-Advanced Simple Profile), ранее использовался профиль SP (SimpleProfile).

Хотелось бы обратить особое внимание читателя на то, что использование лишь аббревиатуры «MPEG» в описании видеопотока часто является некорректным, в виду не полного наименования стандарта и используемого профиля.

Метод сжатия основан на том же дискретном косинусном преобразовании, но в процессе сжатия анализируется не только каждый кадр в отдельности (как в MJPEG), разбиваемый на макроблоки, но и последовательность кадров. Кадры подразделяются на следующие типы: •I-кадры (I-frames) - также называются ключевыми «keyframes» или «опорными». Могут содержать только независимо сжатые макроблоки.
•P-кадры (P-frames)- «разностные» кадры. Могут содержать как независимо сжатые макроблоки, так и макроблоки со ссылкой на другой кадр.
•B-кадры (B-frames) - «двунаправленные», «обратные» кадры. Могут содержать следующие макроблоки: независимые (intra), со ссылкой на один кадр (predicted) или со ссылкой на 2 кадра (bi-predicted).
Анализ последовательности кадров, а также использование алгоритмов компенсации движения, позволяют существенно снизить битрейт передаваемого видео в сравнении с кодеком MJPEG.
Пример: видеопоток MPEG4Part 2ASP с одной IP камеры разрешением 2 Mpx,25fps, при максимальном качестве будет достигать 20Мбит/с, что более чем в 2,5 раза эффективнее MJPEG. Однако при всём преимуществе над MJPEG, данный кодек не является верхом совершенства для использования в системах видеонаблюдения высокого разрешения.

Построение систем цифрового видеонаблюдения с использованием одного лишь MPEG4 Part 2 ASP повлечёт большую нагрузку на сетевое оборудование, так к примеру один 100Мбит свитч не сможет поддерживать в пиковой нагрузке более 3х-4х камер при максимальном качестве, построение сетевой инфраструктуры займёт значительную часть бюджета проекта. Складирование данного видеопотока также затребует относительно больших объёмов места, суточный архив 2Mp 25 fps в максимальном качестве потребует свободного места более чем на 210 Гб.

H.264 – он же MPEG-4 Part 10, он же MPEG4 AVC (Advanced Video Coding)
Развитие алгоритмов компрессии изображения позволяет добиваться всё большего редуцирования битрейта видеопотока, улучшения качества изображения, но также требует увеличения производительности аппаратных систем. На сегодняшний день современные достижения в области микроэлектроники приводят к появлению всё более производительных процессоров. Постоянное совершенствование и уменьшение размеров полупроводниковых структур позволяет размещать большее количество транзисторов на одинаковой площади, увеличивая количество машинных циклов на единицу времени, а также снижая энергопотребление, тем самым улучшая основные характеристики микропроцессоров. Благодаря этому, на базе передовых процессоров, компанией Vesta внедряются компактные и лёгкие высокопроизводительные системы с низким потреблением электроэнергии, способные реализовывать всё более сложные и ресурсоёмкие математические вычисления.

Стандарт H.264 / MPEG-4 Part 10 / MPEG4 AVC является очередной ступенью развития стандартов сжатия семейства MPEG4 и содержит ряд новых возможностей, позволяющих значительно повысить эффективность сжатия видео по сравнению с предыдущими (ASP, и тем более MJPEG) стандартами, обеспечивая недостижимое ранее качество изображения. Основные преимущества стандарта: •Использование сжатых ранее кадров в качестве опорных (то есть с заимствованием части материала из них) куда более гибко, чем в предыдущих стандартах. Позволяется использование до 32 ссылок на другие кадры, тогда как в ASP и более ранних число ссылок ограничено одним или, в случае B-кадров, двумя кадрами. Это поднимает эффективность кодирования, так как позволяет кодеру выбирать для компенсации движения между большим количеством изображений.
•Независимость порядка воспроизведения изображений и порядка опорных изображений
•Независимость методов обработки изображений и возможности их использования для предсказания движения. В предшествующих стандартах изображения, закодированные с использованием некоторых методов (например, двунаправленного предсказания), не могли использоваться в качестве опорных для предсказания движения других изображений видеопоследовательности. Устраняя это ограничение, новый стандарт обеспечивает кодеру большую гибкость и, во многих случаях, возможность использовать для предсказания движения изображение, более близкое по содержанию к кодируемому.
•Компенсация движения с переменным размером блока (от 16x16 до 4x4 пикселя) позволяет крайне точно выделять области движения.
•Шеститочечная фильтрация компонента яркости для полу-пиксельного предсказания с целью уменьшения зубчатости краев и, в конечном счёте, обеспечения большей чёткости изображения.
•Точность до четверти пикселя при компенсации движения обеспечивает очень высокую точность описания движущихся областей.
•Взвешенное предсказание, позволяющее использовать масштабирование и сдвиг после компенсации движения на величины, указанные кодером. Такая методика может чрезвычайно сильно поднять эффективность кодирования для сцен с изменением освещённости.
•Пространственное предсказание от краёв соседних блоков для I-кадров, в отличие от предсказания только коэффициента трансформации в MPEG-4 Part 2, и дискретно-косинусного коэффициента в MPEG-2 Part 2. Новая методика экстраполяции краёв ранее декодированных частей текущего изображения повышает качество сигнала, используемого для предсказания.
•Сжатие макроблоков без потерь. Метод представления макроблоков в импульсно-кодовой модуляции, при котором видеоданные представлены непосредственно, позволяет точно описывать определённые области.
Стандарт MPEG-4 AVC несомненно является более требовательным к аппаратным ресурсам, нежели описанный выше MPEG-4 ASP, однако это компенсируется всеми вышеперечисленными достоинствами данного кодека.

Пример: видеопоток H.264 с одной IP камеры разрешением 2 Mpx, 25fps при максимальном качестве будет достигать 8Мбит/с, а при использовании переменного битрейта (VBR) – от 4,3 до 6Мбит/с что почти в 10 раз эффективнее MJPEG, и почти в 4 раза эффективнее MPEG4 ASP, при обеспечении недостижимого для MPEG4 ASP качества изображения.

Таким образом, использование в производимом компанией Vesta оборудовании передового стандарта компрессии видеопотока - H.264, позволяет вам построить современную цифровую систему видеонаблюдения, максимально эффективно используя при этом как активное сетевое оборудование, таки пространство для хранения архива.

С уважением, Федот Прутков.