CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии

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.