CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии

Рис. 9.27. Зигзагообразное сканирование при обратном DCT-преобразовании

Читателям следует знать, что Wavelet-сжатие отличается от JPEG-сжатия тем, что Wavelet-сжатие обрабатывает все изображение, а не блоки 8x8, поэтому артефакты сжатия проявляются не в блочности изображения, а скорее как его затуманивание. Сжатия на основе DCT- и Wavelet-преобразований подразумевают потерю данных, поэтому они называются сжатием с потерями. Основная задача заключается в нахождении оптимального компромисса между высоким уровнем сжатия и качеством изображения без особо заметных потерь.

Рис. 9.28. Увеличенный в два раза фрагмент изображения при JPEG-сжатии в 100 раз

Рис. 9.29. Увеличенный в два раза фрагмент изображения при Wavelet-сжатии в 100 раз

В системах видеонаблюдения используются различные стандарты сжатия изображения и видеоизображения. Возможно, здесь их больше, чем в любой другой индустрии. Например, в цифровой фотографии чаще всего используется сжатие JPEG, когда необходимо экономить пространство, доступное для хранения снимков. В вещательном телевидении доминирует стандарт MPEG-2, тогда как в компьютерной индустрии и в Интернете приобрел популярность MPEG-4.

В разнообразной продукции систем видеонаблюдения используются почти все стандарты сжатия. Для того чтобы правильно их понимать, необходимо разделить все стандарты на две основные категории, о чем мы уже говорили ранее: сжатие, которое применяется к отдельным изображениям, назовем сжатием изображения и сжатие, применяемое к видеопотоку, назовем сжатием видеоизображения. Стандарты, использующие сжатие изображения, работают с отдельными изображениями, тогда как стандарты, использующие сжатие видеоизображения, расценивают время как важную переменную при уменьшении избыточности видеопотока.

Рис. 9.30. Временная шкала, показывающая периоды разработки различных стандартов сжатия и совместную работу ITU- T и ISO/IEC

У каждой из этих двух категорий сжатия есть свои преимущества, что зачастую очень затрудняет выбор в пользу какой-либо из них. Обычно в цифровых видеорегистраторах, которые записывают на жесткие диски несколько телекамер в режиме мультиплексирования, применяется сжатие изображения. Некоторые производители используют два различных стандарта сжатия в одном устройстве. В этом случае для локальной записи используется один стандарт сжатия, а для передачи по сети с низкой пропускной способностью — другой стандарт сжатия видеоизображения, который будет более эффективен для этих целей. Поэтому необходимо знать и понимать все стандарты сжатия и каждый раз оценивать достоинства и недостатки всех стандартов по отношению к проектируемой системе наблюдения.

Некоторые специалисты подразделяют стандарты сжатия на группы по принципу того, какая организация (ITU-T или ISO) предложила тот или иной стандарт. Но существует и много самостоятельных разработок отдельных производителей, что не позволяет нам принять такое деление. Более того, при разработке новых стандартов рабочие группы ITU-T и ISO/ЕС работают совместно. В частности новый стандарт сжатия Н.264, работа над которым была начата ITU-T, велась затем совместно с группой ISO/IEC JTC1.

Следующие стандарты сжатия изображения являются наиболее распространенными в видеонаблюдении. Расположены в порядке появления.

— JPEG — Широкораспространенный стандарт сжатия, который существует уже более 15 лет. Использует DCT-преобразование. Используется многими программами, такими, как графические редакторы и веб-броузеры.

— M-JPEG — Это вариант сжатия JPEG и на самом деле не является стандартом. M-JPEG — сокращение от Motion JPEG, где каждое изображение является независимо сжатым телевизионным кадром или полем.

— Wavelet — Очень популярное сжатие в видеонаблюдении. Отличается большей эффективностью при сжатии деталей, так как не делит все изображение на блоки 8x8 пикселов.

— JPEG-2000 — Стандартизованный вариант Wavelet-сжатия. Доступны дополнительные модули JPEG-2000 для различных графических редакторов и веб-броузеров.

— Motion JPEG-2000 — Принцип действия примерно такой же, как у M-JPEG, но в качестве основы используется JPEG-2000. Так выглядит эволюция стандартов сжатия видеоизображения:

— Н.261 — Стандарт для низкой скорости передачи данных, принятый в 1984 ITU для аудиовизуальных сервисов.

— MPEG-1 — Стандарт ISO, созданный как модификация Н.261 для записи видео на компакт-диски при низкой скорости передачи данных (около 1.5 Мбит/с).

— MPEG-2 — Разработан для вещательного телевидения. Использует низкий уровень сжатия для передачи, записи и воспроизведения видео высокого качества. Сейчас используется в большинстве телестудий, на DVD-дисках, на кабельном телевидении, а также в кабельном телевидении и многими производителями цифровых видеорегистраторов.

— Н.263 — Создавался как адаптация MPEG-2 для достижения более высоких уровней сжатия при сохранении высокого качества изображения. Был принят как международный стандарт в 1996 году и пересмотрен в 1998 году. Стандарты Н.263+ и Н.263++ представляют собой усовершенствованные версии Н.263.

— MPEG-4 — Стандарт разрабатывался как объектно-ориентированное сжатие. Существует несколько версий. Сжимает видео и аудио с широким выбором скорости передачи данных. Пригоден для различных областей применения, которые используют низкоскоростные каналы связи, от мобильной телефонии и Интернета до телевидения.

— MPEG-7 — Новый стандарт, предназначенный для описания аудиовизуального содержимого.

— MPEG-21 — Новый стандарт, описывающий общую структуру взаимодействия всех объектов MPEG и пользователей.

— Н.264 — Самый новый стандарт сжатия, который базируется на Н.263 и MPEG-4 (AVC), который предлагает широкий выбор качества, включая более эффективное сжатие для форматов телевидения высокой четкости (заявлено о втрое большей эффективности по сравнению с MPEG-2).

Теперь проанализируем их по отдельности.

JPEG

JPEG расшифровывается как объединенная группа экспертов по машинной обработке фотоизображений (Joint Photographic Experts Group), а это, в свою очередь, является первоначальным названием комитета ISO, который подготовил данный стандарт для цифровой фотографии.

JPEG — это стандартизированный принцип сжатия изображений, который использует DCT-преобразование для уменьшения избыточности изображения. Он ориентирован только на неподвижные цифровые изображения, при этом разрешение изображения в стандарте не прописано. Такими стоп-кадрами в телевидении могут служить либо телевизионные поля, либо телевизионные кадры.

Хотя JPEG широко используется в цифровой фотографии и веб-приложениях, этот стандарт применяется и в видеонаблюдении, где сжатие применяется к оцифрованному видео (телевизионным кадрам и полям), которые обрабатываются как независимые изображения.

Впрочем, JPEG содержит и раздел рекомендаций для сжатия без потерь (с коэффициентом сжатия примерно 2:1), но нас больше интересует способ сжатия JPEG с потерями, когда можно получить коэффициенты сжатия, превышающие 10:1, без заметного ухудшения качества. Работа JPEG основывается на преобразовании блоков, состоящих из 8x8 элементов изображения, на основе дискретного косинусного преобразования (Discrete Cosine Transformation — DCT).