Сжатие видеоизображений в системах сетевого видеонаблюдения

Так как все большее количество систем видеонаблюдения включается в состав сетей, вопросы управления передачей цифровых изображений таких систем стал решающим для широкого внедрения сетевого видеонаблюдения.

К счастью, эта задача решается, и решение заключается в правильном выборе алгоритма сжатия. Эта статья, в которой рассмотрены некоторые конкретные алгоритмы сжатия и их сравнительные характеристики, призвана помочь в выборе такого алгоритма. В современной промышленности видеонаблюдения применяется пять основных алгоритмов сжатия видеоизображений. Некоторые из них применяются чаще других. Так, протоколы MPEG, H.261 и H.263 предназначены для подвижных и видеоизображений, а протоколы JPEG, JPEG 2000 и Wavelet — для неподвижных изображений.

Основные алгоритмы сжатия

JPEG, означает Joint Photographic Experts Group (Объединенная группа экспертов в области фотографии) — это комитет, ответственный за разработку стандарта JPEG 2000 и его последующих версий. JPEG стал самым распространенным форматом сжатия, используемым в настоящее время. Как свидетельствует название, он был разработан для сжатия одиночных фотографий. Поэтому видео он обрабатывает так же, как и неподвижные изображения. Этот алгоритм позволяет осуществлять как очень высокие степени сжатия, которым характерно низкое качество изображения, так и несколько ниже степени сжатия, обеспечивающие хорошее качество. Если в изображении появляются артефакты, т. н. распад изображения на квадраты, это явно указывает на завышенную степень сжатия (см. пример на рисунках 1, 2).

Рисунок 1. Исходное изображение	Рисунок 2. То же изображение, подвергнутое слишком сильном сжатии

Во высокой степенью сжатия подразумевается уменьшение объемов файлов изображений. Это достигается благодаря сокращению объема и количества типов данных, сохраняется, что приводит к неизбежному изменению качества изображения. Кроме того, сжатие в формате JPEG достигается путем применения ряда сложных технологий, в т.ч. квантования, то есть устранение избыточности информации, которая существует в любом цифровом изображении. Эти методы не вносят заметных изменений в качество изображения. То есть, алгоритм достаточно сложен.

Формат JPEG 2000 дополнен применением вейвлетов (wavelets), которые при повышенных степенях сжатия существенно ослабляют распад изображения на квадраты, заменяя его некоторой общей неопределенностью, которая не так сильно раздражает глаз (см. ниже рисунок 3).

Рисунок 3: Изображение, сжатое в формате JPEG 2000 с применением вейвлетов.

Формат Motion JPEG, или M-JPEG, позволяет достигать повышенной степени сжатия. Он разработан специально для подвижных и видеоизображений. Фактически, формат M-JPEG рассматривает цифровой видеопоток как последовательность изображений JPEG. Этому стандарту характерны те же преимущества, что и для JPEG, поскольку он предусматривает использование той же технологии сжатия. Для сжатия данных в обоих стандартах используется практически прямые методы, что позволяет создавать для их реализации недорогие средства кодирования и декодирования. Такая особенность позволяет изготавливать недорогие сетевые телекамеры, цифровые видеорегистраторы и видеосерверы, реализующих эти стандарты. Существуют также средства, реализующие формат MJPEG 2000.

Аббревиатура MPEG означает Motion Picture Experts Group (Экспертная группа по вопросам движущегося изображения). Этот комитет был сформирован в конце 1980-х годов для разработки стандарта кодирования движущихся изображений и звука. С тех пор он разработал форматы MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4. Последующими поколениями стандарта будут MPEG-7 и MPEG-21.

• MPEG-1 — первый общедоступный стандарт, выпущенный в 1993 г. В нем использовалась технология кодирования видеоизображений, разработанная для стандарта JPEG, но были также добавлены технологии эффективного кодирования видеосерий. В видео, сжатое с применением формата MPEG, входят только новые фрагменты видеосерии, а неизменные элементы изображения используются повторно. Это позволяет сократить объем данных, поддаются сжатию. Стандарт MPEG-1 используется для хранения цифровых видеоизображений, например, на компакт-дисках. Он достигает не столько качества изображения, сколько степени сжатия. Многие считают, что он дает качество изображения видеомагнитофона, хотя на самом деле изображения цифровое.
• Стандарт MPEG-2 был принят в 1994 г. Он предназначен для высококачественной цифровой видеозаписи (DVD), цифрового телевидения высокой четкости (ТВЧ), интерактивных средств хранения, цифрового радиовещания (DBV) и кабельного телевидения (КТВ). Проект MPEG-2 был сосредоточен на распространении технологии кодирования MPEG-1 на изображение увеличенного формата и повышенного качества за счет снижения степени сжатия и повышения скорости передачи. Кроме того, стандарт предоставляет дополнительные средства улучшения качества изображения при неизменной скорости передачи. Это позволяет получать качественное видео по сравнению с другими технологиями сжатия. Частота смены кадров фиксирована и составляет 25 (PAL) / 30 (NTSC) кадров в секунду, как и в формате MPEG-1.
• Стандарт MPEG-4 поддерживает даже меньшие пропускные способности, что позволяет использовать его в таких приложениях, как мобильные телефоны и персональные информационные устройства (PDA). Тем не менее, он удовлетворяет требованиям к качеству изображения и практически не ограничивает пропускной способности приложений. Сейчас этот стандарт используется для сжатия фильмов. Кроме того, он используется в мобильных телефонах. Стандарты MPEG-2 и -4 используются с различными значениями форматов изображения, частоты смены кадров и пропускной способности.

Различные алгоритмы сжатия имеют различные функции, а некоторые являются более гибкими, чем другие. Поэтому, прежде чем решать, какие устройства применять и с каким алгоритмам, следует оценить реальные требования, предъявляемые конкретным применением.
Очень важно продумать, которая должна регистрировать система. Нужны неподвижные изображения узнаваемых лиц и событий, или движущиеся изображения? Критическая или пропускная способность? Какую пропускную способность можно отвести в существующей сети под передачу видеоизображения? Мало будет пользы от изображения качества DVD в режиме реального времени, если передача видеоизображений по тревоге от сетевых телекамер к экрану компьютера начальника охраны продлится десять минут, но это изображение нельзя будет сохранить на выделенном носители, не загрузив его снова через несколько часов.

Также имеет значение бюджет. Усложнение алгоритмов означает удорожание средств видеонаблюдения с их применением, что увеличит общую стоимость конкретного решения. Поэтому, какой бы ни была система, необходимо найти компромисс между качеством и объемом изображения, скоростью и четкостью, характеристиками и стоимостью. При выборе средств видеонаблюдения ключевую роль играет выбор алгоритма сжатия. Сам выбор следует тщательно мотивировать в любом задании на охранную систему видеонаблюдения.

Источник: Axis Communications

Компания: Axis Communications