CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии

l-кадры в общих чертах представляют собой изображения, которые кодируются с использованием только той информации, которая содержится в них самих (то же самое происходит при сжатии JPEG). Здесь устраняется только пространственная избыточность, и l-кадры затем используются как опорные для Р- и В-кадров, для которых используется межкадровое кодирование, что позволяет устранить и пространственную, и временную избыточность. Р-кадры кодируются с опорой на ближайший I- или Р-кадр. Каждый макроблок в Р-кадре может содержать коэффициенты DCT-преобразования разницы между этим макроблоком и аналогичным блоком в опорном кадре, либо только коэффициенты DCT-преобразования, как в l-кадре, если разница получается слишком большой. В-кадры кодируются с опорой на два ближайших I- или Р-кадра, один из которых предшествует В-кадру, а другой следует за В-кадром. Их название происходит от английского bidirectional, то есть двунаправленные (к предшествующему и последующему кадру). Кстати, именно этим и обусловлена задержка кодирования, типичная для сжатия MPEG.

Набор I-, Р- и В-кадров в MPEG называется группой изображений (Group of Pictures, GOP).

Если группа изображений состоит только из одного изображения, то это будет только опорный l-кадр, и такое кодирование будет выглядеть функциональным эквивалентом стандарта Motion-JPEG. В этом случае устраняется только пространственная избыточность, но не временная. Когда группа изображений насчитывает 12 или 15 кадров, достигается оптимальный компромисс между уровнем сжатия и не слишком большой задержкой кодирования.

Типичные повторяющиеся структуры группы изображений из 9 кадров выглядят так:

IBBBPBBBP IBBBPBBBP IBBBPBBBP…

В MPEG появляется новый побочный эффект задержки кодирования, связанный с предсказанием движения. Эта та цена, которую мы платим в MPEG за лучшее качество изображения при сравнительно небольших видеопотоках. Большинство устройств, поддерживающих сжатие MPEG, позволяют устанавливать размер видеопотока и структуру группы изображений, а при выборе оптимальной комбинации этих параметров задержку кодирования можно снизить до незаметного глазу уровня за счет увеличения видеопотока и уменьшения размера группы изображений. В целом, количество элементов в группе изображений и определяет задержку кодирования. Так, например, для группы изображений из 12 кадров задержка кодирования составит половину секунды (для PAL), что уже существенно. А если к этому добавляется задержка на передачу по сети, то становится понятным, откуда берется в MPEG время задержки кодирования больше секунды.

Задержка кодирования может остаться незамеченной в системах видеонаблюдения, где используются только неподвижные телекамеры, но когда мы управляем поворотными телекамерами, эта задержка становится серьезной проблемой. Вполне закономерным будет вопрос о том, какая задержка кодирования MPEG и передачи по сети может считаться приемлемой. На самом деле это определяется скоростью реакции человека. Например, считается, что при управлении автомобилем скорость реакции человека не более 200 мс. Если мы опираемся на эти данные, что 200 мс будут считаться вполне приемлемой на практике задержкой.

Еще один интересный побочный эффект от двухстороннего предсказания движения в макроблоках проявляется в виде уменьшения шума из-за усреднения.

На практике чаще всего MPEG-1 используется для хранения видео на компакт-дисках, но иногда этот стандарт находит применение в кабельном телевидении и в видеоконференциях. Впрочем, существуют и цифровые видеорегистраторы для видеонаблюдения, которые записывают видео в режиме реального времени и тоже используют MPEG-1. Их применяют в том случае, когда скорость записи важнее, чем высокое разрешение. Большинство качественных цифровых видеорегистраторов, использующих MPEG-2, обратно совместимы с MPEG-1 и могут записывать и воспроизводить видеопоток стандарта MPEG-1.

MPEG-2

MPEG-2 представляет собой не следующее поколение MPEG-1, а скорее другой стандарт, нацеленный на более высокое качество передачи и записи цифровых движущихся изображений и звука. Он был предложен группой MPEG в 1993 и получил, как и MPEG-1, престижную награду Emmy.

Стандарт MPEG-2 определяет форматы кодирования для уплотнения цифрового видео высокого качества, звука и других данных в подходящий для передачи или хранения формат.

Так, MPEG-2, подобно MPEG-1, не ограничивает свои возможности только видео, но также работает с аудиопотоками. Здесь опять следует подчеркнуть, что MPEG-2 является не схемой или техникой сжатия (как многие полагают), а скорее стандартизацией управления и обработки цифровых данных самым быстрым, оптимальным способом. Кодирование MPEG-2 может генерировать скорости передачи данных значительно выше 18 Мбит/с, хотя при применении MPEG-2 на практике в видеонаблюдении вы вряд ли заметите особую разницу между аналоговым видеосигналом и тем же видеопотоком размером 4 Мбит/с, сжатым MPEG-2.

Стандарт MPEG-2 разрабатывался для широкого круга применения, поэтому он позволяет использовать видеопотоки различного размера, качества и разрешения. В MPEG-2 определено 4 профиля и 4 уровня для обеспечения взаимодействия в разных сферах применения. В профиле указано цветовое разрешение и размер видеопотока. Уровни определяют минимальное и максимальное разрешение изображения, частоту дискретизации яркостного (Y) сигнала, количество видео- и аудиослоев, поддерживаемых в масштабируемых профилях и максимальную скорость передачи данных для профиля.

Представляя собой совместимое расширение, видеостандарт MPEG-2 основывается на MPEG-1, поддерживая видеоформаты чересстрочного разложения и некоторые другие дополнительные свойства.

Формат MPEG-2 используется в вещательном телевидении сервисными службами, такими, как DBS (Direct Broadcast Satellite — спутник прямого вещания), CATV (CAble Television — кабельное телевидение) и, что наиболее важно, HDTV (цифровое телевидение высокой четкости). Кроме того, формат DVD (который был стандартизирован в период между двумя изданиями этой книги) использует кодирование MPEG-2 для видео- и аудиозаписей высокого качества. Благодаря сжатию MPEG-2 однослойный и односторонний цифровой видеодиск DVD имеет достаточно емкости, чтобы хранить два часа и 13 минут видео высокого качества, объемного звука и субтитров.

MPEG-2, как и MPEG-1, основывается на группах изображений, которые состоят из I-, Р- и В-кадров. 1-кадр является опорным с внутрикадровым кодированием (intracoded), то есть он может быть декодирован без обращения к данным других кадров. Р-кадры для декодирования потребуют предшествующий l-кадр или Р-кадр, В-кадры потребуют уже предшествующий и последующий кадр (l-кадр или Р-кадр). Поэтому Р-кадры и В-кадры являются промежуточными кадрами с межкадровым кодированием (intercoded).

Работа алгоритмов предсказания движения основывается на векторах движения. Для простоты представим, что в l-кадре имеется круг на белом фоне. В следующем Р-кадре имеется такой же круг, но уже смещенный в другую позицию. Предсказание движения означает, что должен быть вычислен вектор движения этого объекта, который описывает, каким образом двигается наш круг со своей позиции на l-кадре в позицию на Р-кадре. Этот вектор движения является частью потока MPEG-2 и разделен на горизонтальную и вертикальную часть. Эти части могут быть как отрицательными, так и положительными. Положительное значение показывает, что движение происходит слева направо или соответственно сверху вниз.

Отрицательное значение показывает, что движение происходит справа налево или снизу вверх. Впрочем, такая модель подразумевает, что разница между кадрами может быть выражена как простое перемещение пикселов. В потоке MPEG имеется матрица ошибок предсказания, которая позволяет более точно восстанавливать движение.