CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии

Рис. 9.41. Векторы движения используются для предсказания смещения объектов между I- и Р-кадрами

Когда только начинался переход к цифровым методам записи в видеонаблюдении (а это было совсем недавно, всего 5–6 лет назад), лишь очень немногие разработчики цифровых видеорегистраторов использовали стандарт MPEG-2. Сейчас ситуация изменилась, и многие уже увидели преимущества качественной цифровой записи видео и другие достоинства MPEG-2, с успехом нашедшие применение в видеонаблюдении — например, обратное воспроизведение архива, замедленное воспроизведение архива в прямом и обратном направлении, высокоскоростное воспроизведение архива (скорость может быть увеличена вплоть до 1024-кратной) и даже детектирование движения.

Очевидно, что MPEG-2 не предназначен для работы в режиме мультиплексированной записи, так как зависимость в потоке между кадрами нарушается, и выигрыш от межкадрового сжатия нивелируется. Поэтому цифровые видеорегистраторы со сжатием MPEG-2 обычно записывают видеопотоки от одной телекамеры на жесткий диск, хотя существуют и модели, которые могут одновременно записывать и несколько (немультиплексированных) видеопотоков на один жесткий диск. Учитывая то, что видеопоток MPEG-2 хорошего качества может достигать, например, 4 Мбит/с, несложно подсчитать, что при современном развитии технологии жестких дисков, один цифровой видеорегистратор сможет записывать всего лишь несколько таких видеопотоков, особенно если мы хотим одновременно просматривать архив.

Хотя сжатие MPEG-2 может быть реализовано программно с помощью достаточно производительных процессоров, для видеонаблюдения всегда предпочтительнее выполнять сжатие аппаратно, что гарантирует кодирование (запись) всех кадров без потерь. Декодирование (воспроизведение) может осуществляться с помощью программных декодеров, которых не так уж и много, поскольку MPEG-2 — это стандарт. Windows Media Player, Apple QuickTime, Real Audio — вот примеры программного обеспечения, которое способно воспроизводить видео MPEG-2. Некоторые цифровые видеорегистраторы, использующие MPEG-2, имеют возможность записи компакт-дисков или DVD с видео MPEG-2, такие диски затем можно просмотреть на бытовом DVD-проигрывателе.

Многие производители цифровых видеорегистраторов высшего класса, помимо аппаратного сжатия и записи, позволяют декодировать сжатое видео и выводить его на отдельный аналоговый монитор и одновременно программно со смещением во времени декодировать запись для просмотра или для архивирования по сети. Возможность одновременного выполнения всех этих операций иногда называют триплексной функцией, но существуют и другие варианты: triplex, quad-plex или penta-plex. В последнем случае имеется в виду, что одновременно могут выполняться до 5 операций: запись, воспроизведение, архивирование на внешние носители, воспроизведение записи по сети и архивирование по сети. Если все эти процессы осуществляются с применением одного жесткого диска (как это обычно и происходит), то он должен иметь соответствующую скорость передачи данных. По этой причине многие производители цифровых видеорегистраторов предпочитают выпускать не многоканальные, а одноканальные устройства с записью MPEG-2.

Рис. 9.42. В стандарте MPEG-2 используется такая же структура с группами изображений, как и в MPEG-1

MPEG-2 пригоден для применения в различных областях индустрии безопасности, поскольку он позволяет получить лучшее качество изображения, но чаще всего этот стандарт находит применение там, где требуется запись быстрых движений, например, в казино и банках. Особенно внимательно следует подходить к использованию сжатия MPEG-2 в тех случаях, когда требуется работать с поворотными телекамерами по сети, так как приходится учитывать задержку кодирования и передачи видеосигнала, но, как уже говорилось ранее, эту задержку можно сократить до приемлемых 200 мс и менее, манипулируя размерами видеопотока и структурой группы изображений.

Справедливости ради нужно отметить, что из-за больших размеров видеопотока MPEG-2 непригоден для удаленного просмотра и передачи данных по низкоскоростным каналам связи. Многие производители в этом случае предлагают использовать дополнительный стандарт MPEG-4 (основным стандартом сжатия для записи остается MPEG-2), так как он более гибок и адаптирован для передачи по низкоскоростным каналам связи (128 кбит/с, 256 кбит/с и др.).

MPEG-4

MPEG-4 (ISO 14496) — это еще один стандарт групп MPEG, разработанный относительно недавно. Его практически еще не использовали, когда вышло первое издание этой книги. MPEG-4 представляет собой результат еще одного примера международного сотрудничества сотен исследователей и инженеров со всего мира. Работа над MPEG-4, который официально обозначается как ISO/IEC 14496, была окончательно завершена в октябре 1998 года, а международным стандартом MPEG-4 стал в 1999 году.

Стандарт MPEG-4 был разработан для того, чтобы предоставить пользователям новый уровень взаимодействия с видеоинформацией. Он обеспечивает технологии, позволяющие осуществлять доступ не к пикселам, а к объектам, просматривать их и манипулировать ими. Этот стандарт отличается большой устойчивостью к ошибкам и работой с несколькими диапазонами значений скорости передачи данных. Сфера применения стандарта варьируется от цифрового телевидения, мультимедийных данных в мобильных коммуникациях, игр и до видеонаблюдения.

Основное отличие MPEG-4 от предыдущих стандартов заключается в его объектно-ориентированной аудиовизуальной модели. В рамках этой модели в каждой сцене присутствуют объекты, которые имеют связи между собой во времени и пространстве, что дает ряд преимуществ. Стандарт MPEG-4 открывает пользователям новые возможности для создания, редактирования, доступа и потребления аудиовизуальной информации. В основе технологии MPEG-4 лежит объектно-ориентированный подход, где сцена моделируется как состоящая из объектов, как естественных, так и синтезированных, с которыми пользователь может взаимодействовать. Работа с объектами (особенно с синтезированными) и интерактивность лежат в основе MPEG-4, но, к сожалению, в видеонаблюдении это не нашло применения.

Компенсация движения основана на блоках с соответствующей модификацией для границ объектов.

Размер блоков может быть 16x16 или 8x8 с половинным разрешением в пикселах. MPEG-4 также обеспечивает режим компенсации движения с наложением. Кодирование текстур объектов основано на DCT-преобразовании в блоках 8x8 с соответствующей модификацией для границ объектов. Для повышения эффективности кодирования также возможно предсказание коэффициентов. Статичные текстуры могут быть закодированы с использованием вейвлет-преобразования. Устойчивость к ошибкам обеспечивается за счет маркеров ресинхронизации, декомпозицией данных и другими методами. Масштабируемость обеспечивается как для пространственного, так и временного улучшения разрешения. MPEG-4 обеспечивает масштабируемость на уровне объектов с тем ограничением, что форма объекта должна быть прямоугольной. Для нас в видеонаблюдении это, возможно, самое полезное свойство, так как с ним связано масштабирование потоков для передачи по низкоскоростным каналам связи.

Стандарт MPEG-4 был оптимизирован для передачи данных в трех диапазонах скоростей: менее 64 кбит/с, 64 — 384 кбит/с и 384 кбит/с — 4 Мбит/с.

MPEG-4 предлагает набор инструментов и технологий, которые пригодны для различных областей применения как в существующих приложениях, так и в тех, которые появятся в будущем. Низкие скорости передачи данных и устойчивость к ошибкам позволяют использовать MPEG-4 для надежной передачи по низкоскоростным радиоканалам, что удобно для мобильных видеофонов, коммуникаций в космосе и, конечно, в видеонаблюдении. Для высоких скоростей передачи данных в MPEG-4 предусмотрены инструменты, которые упрощают передачу и хранение видео высокого качества, пригодного для телевизионных студий и других задач, требовательных к качеству видео. В процессе развития стандарта возникло несколько версий MPEG-4, которые поддерживают больше скоростей передачи данных, чем MPEG-2.