Какой кодек лучше для видеонаблюдения
Современные системы видеонаблюдения работают с видеокодеками h.264 и h.265, а также с расширенными их версиями, которые отображаются знаком «+».
При этом каждый видеокодек имеет два режима кодирования — CBR и VBR. О них и пойдет речь в этой статье.
Данные режимы кодирования по сути определяют, какого размера поток будет выдавать IP-камера. Он бывает постоянным CBR и переменным VBR. В этом их различие.
CBR или constant bit rate, в переводе означает «постоянный поток данных». Это значит, что камера выдаёт видеопоток одной и той же, не зависящей от других параметров величины, которая определяется в настройках камеры. Обычно поток для CBR составляет 2, 3 или 4 Мбит/с.
Такой поток удобен тем, что он позволяет без проблем посчитать объем необходимого дискового пространства и подобрать необходимые коммутаторы. Также нужно обратить внимание на связанную с режимом CBR опцию задания приоритета (Priority). Это позводит получить следующие сценарии работы:
- Приоритет скорости (speed или rate), когда в зоне действия камеры появляется движение или помехи из-за снижения освещенности. При этом камера будет стремиться сохранить заданную скорость и при достижении потоком определенной величины — начнет увеличивать степень сжатия изображения, а значит, и его качество. Что не есть хорошо, ибо можно получить видео, где вообще ничего не видно.
- Приоритет качества (quality), когда при изменении картинки в сторону увеличения нагрузки, камера будет стремиться сохранять качество изображения, но при этом количество кадров в секунду может начать уменьшаться. Однако по этой причине снижается FPS, но самое главное часть видео может быть утеряно из-за снижения количества кадров.
- Без приоритета (none), когда при достижении заданного порога передачи данных начнуть ухудшаться оба параметра, но до того, как порог будет достигнут, работа системы будет нормальной.
Также нужно помнить, что режим CBR снижает максимальную нагрузку на сеть, но не снижает нагрузку на ЦП видеосервера.
VBR расшифровывается «variable bit rate» или в переводе — «переменный поток данных». Включается режим в меню камеры, где задаётся конкретное значение качества изображения, т.е.степень сжатия, после чего видеопоток генерируется обычным образом, и файл имеет размер пропорциональный сложности изображения. В этом режиме при появлении движеня в кадре или ухудшении изображения из-за помех видеопоток увеличится пропорционально, без уменьшения скорости записи или качества видеоизображения.
Но есть и сложности, например, если у вас PTZ камера, то при повороте или зуммировании видеопоток возрастает весьма существенно, из-за чего возможна:
- перегрузка сетевых соединений и/или коммутаторов, что приводит к остановке картинки, пропускам кадров и т.п.;
- перегрузка видеосерверов вплоть до зависаний, из-за чего данные не будут записаны в видеоархив;
- уменьшение глубины архива.
Во избежание значительных перегрузок многие производители сделали в VBR дополнительную настройку, ограничивающую максимальный размер видеопотока. То есть поток не вырастет выше определённой величины из которой надо будет исходить при расчёте трафика.
Сегодня появились IP-камеры, у которых автоматика выделяет в пределах одного и того же кадра статичные и динамичные участки, производит их раздельное сжатие, а также на лету корректирует параметры потока, меняя частоту опорных кадров, кол-во FPS и т.д.
У поворотных управляемых камер при этом учитывается наличие/отсутствие движения самой камеры и зум. Благодаря этому можно максимально снизить поток без ущерба качественной фиксации и детализации движущихся объектов.
Исходя из этих данных подбирается режим кодирования для конкретной системы видеонаблюдения. Делается это в специальном меню программного обеспечения вашей системы.
Правда, бывает, что термины CBR и VBR в нем вообще отсутствуют. Однако эти параметры все же есть, вам лишь нужно найти параметры: «constant», «fixed», «maximum», «bit rate», «encoder», «quality» и на окна ввода значений размеров потока.
Приведем примеры, как это реализовано в различных программах для видеонаблюдения.
Здесь, если «галочка» у «enable» отсутствует, то камера работает в режиме VBR. Если «галочка» установлена, то камера работает в CBR с указанным размером потока. Функции ограничения потока «сверху» для VBR и функции задания приоритета «скорость или качество» у данной камеры нет.
В этой камере «Fixed quality» означает выбор режима VBR. Функций ограничения потока «сверху» для VBR и задания приоритета для CBR у данной камеры тоже нет.
Здесь есть всё: и «Constant…», и «Variable…», и приоритет выбрать можно, и ограничения. Даже пределы качества для CBR можно задавать. Правда данная программа давно устарела и кодеки, данные в ней уже не используются.
В данном случае, CBR обозначен как «Constant Bitrate Control», VBR — как «Variable Bitrate Control». Ограничить VBR «сверху» можно через параметр «Enable Rate Limit». Выбора приоритета «скорость или качество» нет.
У этой камеры выбор режима CBR/VBR находится в строке «Encoder Mode». Виден ограничитель («Maximum Bitrate»), но возможности его изменить нет. Зато есть «комбинированный» CVBR. По сути тот же VBR, но с ограничением не только «сверху» («Maximum Bitrate»), но ещё и «снизу» («Bitrate»). Функции же выбора приоритета «скорость или качество» опять нет.
Исходя из всего вышесказанного отметим, что режимы кодирования CBR и VBR очень важны для организации видеопотока. Они позволяют настроить систему для получения качественного и устойчивого видеоизображения.
p4GcRGuXFmeV4ZWTYHVAt18A2 2021-02-12T17:12:21+03:00 13, Декабрь, 2019 | Выбор системы | Комментарии к записи Режимы кодирования в IP-видеонаблюдении отключены
Честно говоря, мы долго ходили кругами вокруг кодека H.265, не зная, с какой стороны к нему подступиться. Сложностей было много. Основная в том, что камеры, поддерживающие его, можно пересчитать по пальцам. Мы взяли BEWARD B2250 и ActiveCam. К тому же, воспроизвести записанный видеопоток, сжатый новым кодеком, как оказалось, не так просто, поскольку производители используют модифицированные кодеки, и стандартные средства воспроизведения пасовали перед ними. Единственный проигрыватель, который не отказывался крутить полученные файлы, – это VLC Player. Мы стали записывать видео с разными условиями, меняли битрейт, погружали сцену в темноту, но размер видеопотока оставался одинаковым и для H.264, и для H.265. Как и качество картинки, которое нельзя было различить на глаз.
До тех пор, пока не выставили самое низкое качество получаемой картинки с камер – битрейт 200 кбит/с, вот тут-то и стала видна принципиальная разница между двумя кодеками. Новый кодек работает иначе, нежели старый. H.265 способен кодировать блоки размером 64х64 пкс – это повышает эффективность кодирования при одновременном сокращении времени декодирования. На практике видеопоток, закодированный кодеком H.265, при одинаковом битрейте дает большую детализацию по сравнению с H.264. При максимальных выставленных настройках (битрейт от 8000 кбит/с и выше) этого заметить невозможно, а вот при минимальных (200 кбит/с) – разница очевидна.
Где же экономия? А экономии трафика и места в архиве возможно добиться, снижая битрейт кодека H.265 и получая картинку, сопоставимую со сжатой кодеком H.264. Будет ли объем файлов при H.265 на 50% меньше файлов, сжатых кодеком H.264? Это вряд ли.
Скорее всего, кодек H.265 хорошо проявит себя при использовании таких функций видеонаблюдения, как распознавание номеров, поскольку при максимальных настройках картинка получается более детализированной. Однако проверить на практике данную теорию не представляется возможным – на рынке еще нет подобных решений, работающих с видеопотоком сжатым кодеком H.265. И пока новый кодек не стал массово овладевать рынком, вендоры активно внедряют новые технологии, снижающие битрейт видео без существенной разницы в качестве картинки. Все они прекрасно работают со стандартным кодеком H.264.
Технология Zipstream
Технология Zipstream создана компанией Axis Communications и реализует два способа уменьшения видеопотока.
В первом способе – Zipstream Dynamic Region of Interest (ROI) – производится анализ видеопотока, и находятся области, представляющие наибольший интерес. К таковым относятся области с большим количеством деталей и/или области, в которых происходит движение объектов. Обработка этих областей выполняется отдельно от остальной части изображения, как описано ниже.
Во втором способе – Zipstream Dynamic GOP – применяется динамическое регулирование интервала между ключевыми кадрами в соответствии с интенсивностью перемещения объектов в поле обзора камеры. Когда движение в поле зрения почти отсутствует, битрейт видео снижается, и передача ключевых кадров производится реже.
Чтобы проверить работу технологии Zipstream, мы взяли камеру AXIS M1125 и выставили на ней два профиля, с включенной и выключенной функцией. Настроили на сцену и открыли два окна для сравнения битрейта. Полученные результаты видны на скриншотах.
Разница в битрейте была порядка от 100 до 200 кбит/с, на камере был выставлен VBR, а параметр Compression по умолчанию стоял на 30 (этот параметр изменяется от 0 до 100, где 100 – это максимально зажатая картинка). Поскольку различия в размере битрейта не повлияют на значительное уменьшение объема архива и повышение скорости по сети, они не принципиальны. Картинка по качеству также была сопоставима. Если приглядеться, то действительно можно заметить размытость статичного фона, которая вызвана заниженным битрейтом на этом участке, что особо не влияет на качество изображения.
Но если изменить параметр Compression до 10, то тут как раз и проявляет себя Zipstream во всей красе. При выключенной Zipstream камера выдает видеопоток в диапазоне от 12 000–16 800 кбит/с, а с включенной функцией всего 5000–7800 кбит/с. Причем картинка сопоставима, и отличить на глаз практически невозможно.
Технология H.264+
Технология H.264+ от компании Hikvision очень похожа на действие функции Zipstream. Камера анализирует движение в кадре, на участках, где происходит движение, камера завышает битрейт, а сам фон – статичная картинка – кодируется с заниженным битрейтом.
Далее полученный поток кодируется стандартным кодеком H.264/AVC, благодаря чему видеопоток можно просматривать и хранить на любых устройствах, поддерживающих этот кодек. В отличие от Zipstream технология H.264+ не может автоматически добавлять или убавлять ключевые кадры. Чтобы посмотреть, как работает H.264+, мы записали несколько видео одинаковой сцены со включенной и выключенной функцией.
Причем камера Hikvision в режиме переменного битрейта позволяет выбирать качество сжатия, чем мы и воспользовались, выставив максимальный и минимальный порог. В результате при минимальном пороге размер видеопотока отличался так же, как и у Zipstream, на незначительные 100–200 кбит/с.
А вот при максимальном пороге битрейта в 16 384 кбит/с разница была большая. С включенной функцией H.264+ битрейт не превышал 5900 кбит/с, а при выключенной колебался от 13 000 до 16 300 кбит/с.
Причем качество картинки остается приблизительно одинаковым, в некоторых местах при включенной функции H.264+ можно заметить размытость статичного фона, но на полное понимание происходящего в кадре это никак не влияет.
Покорит ли H.265 рынок?
Многие авторы аналитических статей в Интернете не ожидают, что новый кодек H.265 покорит рынок в ближайшее время. Причина – высокая эффективность распространенного кодека H.264 и отсутствие на данное время общих стандартов для внедрения H.265. Такое мнение имеет место, и его нельзя не учитывать.
Но большинство китайских производителей и такие гиганты, как Hikvision и Dahua, начали переход на новые процессоры от HiSilicon H3516A и 3516D (бюджетная версия). А в них поддержка кодека H.265 заложена, дешево и сердито. Новый чип заявлен с поддержкой H.265 и разрешения 4K. Китайские производители сделают кодек H.265 настолько массовым, что он станет стандартом де-факто уже завтра, и к этому надо быть готовым. Новые технологии Zipstream и H.264+, безусловно, являются рабочими и выдают результат.
Но, на наш взгляд, нельзя рассматривать их как конкурентов новому кодеку H.265, они являются методом улучшения кодирования видео, который после небольшой адаптации можно применять к различным стандартам сжатия. Надеемся, что время, когда такие технологии, как Zipstream и H.264+, будут работать с кодеком H.265, уже не за горами.
Первые версии кодеков видеосжатия H.264 появились еще в 2013 году. Сегодня формат Н.265 уверенно вошел на рынок видеонаблюдения и диктует свои условия. Многие производители выпускают оборудование с поддержкой видеосжатия данного формата.
Формат сжатия H.264, в отличие от предыдущих кодеков MJPEG и MPEG-4 позволяет с высокой эффективностью решить задачу передачи большого количества видеопотоков высокого разрешения.
Использование в системах IP-видеонаблюдения формата H.264 обеспечивает высокое качество изображения при меньшем объеме данных, требует меньшую пропускную способность сети и меньший объем жестких дисков для хранения видеоархива. Однако есть и жирный минус. Использование Н.264 приводит к высоким нагрузкам на вычислительное оборудование.
Для того, чтобы увеличить экономичность использования вычислительных ресурсов, разработчики применяют различные методы. Например, перенос части операций на видеокарту. Благодаря этому видеокарта способна брать на себя выполнение части вычислений по декодированию. Применение этой функции обеспечилоснижение загрузки процессора до двух раз, и возможность использования процессоров меньшей мощности, а значит, и стоимости.
Перенос операций декодирования на видеокарту также позволяет сэкономить не только на серверной, но и на клиентской части системы видеонаблюдения. Для того, чтобы воспользоваться этой функцией, в настройках клиентской части программного обеспечения необходимо указать, где производить обработку – на центральном процессоре или на видеокарте.
Для снижения нагрузки на вычислительное оборудование также применяется технология видеоанализа сжатых видеопотоков от IP-камер без их полного декодирования. Применение этой технологии приводит к увеличению скорости обработки данных, за счет чего загрузка на центральный процессор снижается. Причем снижение может достигать в среднем в 4 раза.
Благодаря этому появляется возможность подключить к одному серверу в 4 раза больше видеокамер. Еще один вариант экономии — это использование менее мощных, а значит, и более бюджетных процессоров, и снижение стоимости серверного оборудования.
Еще один минус кодека H.264 заключается в том, что большинство мобильных и web-клиентов для систем видеонаблюдения не поддерживают данный формат, и для того, чтобы получить видеоизображение, требуется процедура перекодирования видеопотока в MJPEG. Такая операция очень ресурсоемка и приводит к дополнительным нагрузкам на вычислительные ресурсы.
Обработка формата H.264 возможна при достаточно мощных вычислительных ресурсах мобильного устройства. Если ресурсов не хватает, видеопоток автоматически переключается в формат MJPEG. Да и сам пользователь может самостоятельно выбирать формат видеопотока.
Как видим плюсов и минусов у кодека H.264, применяемого для видеонаблюдения, достаточно много. Однако большая нагрузка на вычислительные ресурсы зачастую сводит все плюсы на нет.
Еще большую нагрузку несет новый формат Н.265. Он использует в своей работе более сильные и совершенные алгоритмы сжатия видео. При одинаковом визуальном качестве новый кодек Н.265 предполагает примерно двукратное уменьшение размера файла по сравнению с его предшественником Н.264. Это серьезно экономит место на дисковом пространстве регистраторов и видеосерверов. А вдвое меньший битрейт уменьшает трафик в сетях передачи видеоданных.
Благодаря более мощным механизмам компрессии, кодек Н.265 отлично справляется с кодированием видео высокого и высочайшего разрешения более 8K UHD (8192×4320). Причем для качественного воспроизведения видеоинформации разрешением 4К кодека необходим поток со скоростью всего 50 МВ/с.
Что немаловажно, Н.265 сжимает видео практически без потерь, качество сжатого видео остается на высоком уровне. Специальные алгоритмы компрессии устраняют присущие Н.264 артефакты, такие как зернистость или размытые края движущихся объектов.
Но самое главное преимущество кодека Н.265 заключается в том, что объем видео, обработанного по новому стандарту, оказался почти на 85% меньше, чем при использовании Н.264. Однако кодеку Н.265 требуется более мощные по производительности элементы и процессоры в оборудовании.
Двигаясь в направлении увеличесния сжатия видеоданных на рынке не так давно появился кодек H.265 + Он позволяет уменьшить битрейт с видеокамер, что в свою очередь снижает стоимость внедрения и использовать меньше дисковых массивов для хранения видеоархива.
H.265+ улучшает степень сжатия за счет трех ключевых технологий: технологии кодирования с предсказанием, технологии подавления фонового шума и технологии долгосрочного управления видеопотоком.
Как известно, камеры видеонаблюдения умеют различать моменты, когда на выделенном участке наблюдения ничего не происходит и в это время снижают качество, чтобы уменьшить нагрузку на сеть и место на жестком диске. Это может делать кодек Н.265, значения при этом все равно держатся около установленного максимума, в то время как Н.265+ может снизить его вдвое. Такая функция называется управление длительным битрейтом.
Н.265+ может также определять на видео движущиеся объекты и отделять их от фона. В то время, как эти объекты передаются в максимально хорошем качестве, на сжатие повторяющегося фона уходит меньше ресурсов. Что также является большим плюсом и снижает нагрузку на вычислительные ресурсы.
В этой статье мы не стремились рассказать подробно о всех современных видеокодеках, используемых в видеонаблюдении. Наша цель заключалась в том, чтобы показать различия форматов сжатия, а также плюсы и минусы каждого из них.
Это было предсказуемо: разбираемся, как H.264 сжимает видео
Вернемся к таблице, с которой мы начали. Как видите, помимо таких параметров, как разрешение, фреймрейт и качество картинки решающим фактором, определяющим конечный размер видео, оказывается уровень динамичности снимаемой сцены. Это объясняется особенностями работы современных видеокодеков вообще, и H.264 в частности: используемый в нем механизм предсказания кадров позволяет дополнительно сжимать видео, при этом практически не жертвуя качеством картинки. Давайте посмотрим, как это работает.
Кодек H.264 использует несколько типов кадров:
- I-кадры (от английского Intra-coded frames, их также принято называть опорными или ключевыми) — содержат информацию о статичных объектах, не меняющихся на протяжении длительного времени.
- P-кадры (Predicted frames, предсказанные кадры, также именуемые разностными) — несут в себе данные об участках сцены, претерпевших изменения по сравнению с предыдущим кадром, а также ссылки на соответствующие I-кадры.
- B-кадры (Bi-predicted frames, или двунаправленные предсказанные кадры) — в отличие от P-кадров, могут ссылаться на I-, P- и даже другие B-кадры, причем как на предыдущие, так и на последующие.
[НАЧАЛО СЪЕМКИ] I-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P- .
Поскольку в процессе вычитания возможны ошибки, приводящие к появлению графических артефактов, то через какое-то количество кадров схема повторяется: вновь формируется опорный кадр, а вслед за ним — серия кадров с изменениями.
Полное изображение формируется путем «наложения» P-кадров на опорный кадр. При этом появляется возможность независимой обработки фона и движущиеся объектов, что позволяет дополнительно сэкономить дисковое пространство без риска упустить важные детали (черты лиц, автомобильные номера и т. д.). В случае же с объектами, совершающими однообразные движения (например, вращающимися колесами машин) можно многократно использовать одни и те же разностные кадры.
Независимая обработка статических и динамических объектов позволяет сэкономить дисковое пространство
Данный механизм носит название межкадрового сжатия. Предсказанные кадры формируются на основе анализа широкой выборки зафиксированных состояний сцены: алгоритм предвидит, куда будет двигаться тот или иной объект в поле зрения камеры, что позволяет существенно снизить объем записываемых данных при наблюдении за, например, проезжей частью.
Кодек формирует кадры, предсказывая, куда будет двигаться объект
В свою очередь, использование двунаправленных предсказанных кадров позволяет в несколько раз сократить время доступа к каждому кадру в потоке, поскольку для его получения будет достаточно распаковать только три кадра: B, содержащий ссылки, а также I и P, на которые он ссылается. В данном случае цепочку кадров можно изобразить следующим образом.
[НАЧАЛО СЪЕМКИ] I-B-P-B-P-B-P-B-P-B-P-B-P-B-P-B-P-…
Такой подход позволяет существенно повысить скорость быстрой перемотки с показом и упростить работу с видеоархивом.
В чем разница между H.264 и H.265?
В H.265 используются все те же принципы сжатия, что и в H.264: фоновое изображение сохраняется единожды, а затем фиксируются лишь изменения, источником которых являются движущиеся объекты, что позволяет значительно снизить требования не только к объему хранилища, но и к пропускной способности сети. Однако в H.265 многие алгоритмы и методы прогнозирования движения претерпели значительные качественные изменения.
Так, обновленная версия кодека стала использовать макроблоки дерева кодирования (Coding Tree Unit, CTU) переменного размера с разрешением до 64×64 пикселей, тогда как ранее максимальный размер такого блока составлял лишь 16×16 пикселей. Это позволило существенно повысить точность выделения динамических блоков, а также эффективность обработки кадров в разрешении 4K и выше.
Кроме того, H.265 обзавелся улучшенным deblocking filter — фильтром, отвечающим за сглаживание границ блоков, необходимым для устранения артефактов по линии их стыковки. Наконец, улучшенный алгоритм прогнозирования вектора движения (Motion Vector Predictor, MVP) помог заметно снизить объем видео за счет радикального повышения точности предсказаний при кодировании движущихся объектов, чего удалось достичь за счет увеличения количества отслеживаемых направлений: если ранее учитывалось лишь 8 векторов, то теперь — 36.
Помимо всего перечисленного выше, в H.265 была улучшена поддержка многопоточных вычислений: квадратные области, на которые разбивается каждый кадр при кодировании, теперь могут обрабатываться независимо одна от другой. Появилась и поддержка волновой параллельной обработки данных (Wavefront Parallelel Processing, WPP), что также способствует повышению производительности сжатия. При активации режима WPP обработка CTU осуществляется построчно, слева направо, однако кодирование каждой последующей строки может начаться еще до завершения предыдущей в том случае, если данных, полученных из ранее обработанных CTU, для этого достаточно. Кодирование различных строк CTU с временной задержкой со сдвигом, наряду с поддержкой расширенного набора инструкций AVX/AVX2 позволяет дополнительно повысить скорость обработки видеопотока в многоядерных и многопроцессорных системах.
Флэш-карты для видеонаблюдения: когда значение имеет не только размер
И вновь вернемся к табличке, с которой мы начали сегодняшний разговор. Давайте подсчитаем, сколько дискового пространства нам понадобится в том случае, если мы хотим хранить видеоархив за последние 30 дней при максимальном качестве видеозаписи:
138×30/1024 = 4
По нынешним меркам 4 терабайта для винчестера индустриального класса — практически ничто: современные жесткие диски для видеонаблюдения имеют емкость до 14 терабайт и могут похвастаться рабочим ресурсом до 360 ТБ в год при MTBF до 1.5 миллионов часов. Что же касается карт памяти, то здесь все оказывается не так однозначно.
В IP-камерах флэш-карты играют роль резервных хранилищ: данные на них постоянно перезаписываются, чтобы в случае потери связи с видеосервером недостающий фрагмент видеозаписи можно было восстановить из локальной копии. Такой подход позволяет существенно повысить отказоустойчивость всей системы безопасности, однако при этом сами карты памяти испытывают колоссальные нагрузки.
При бытовом использовании подобное попросту невозможно, поэтому даже самая бюджетная карта памяти способна прослужить вам несколько лет к ряду без единого сбоя. А все благодаря алгоритмам выравнивания износа (wear leveling). Схематично их работу можно описать следующим образом. Пусть в нашем распоряжении есть новенькая флеш-карта, только что из магазина. Мы записали на нее несколько видеороликов, использовав 7 из 16 гигабайт. Через некоторое время мы удалили часть ненужных видео, освободив 3 гигабайта, и записали новые, объем которых составил 2 ГБ. Казалось бы, можно задействовать только что освободившееся место, однако механизм выравнивания износа выделит под новые данные ту часть памяти, которая ранее никогда не использовалась. Хотя современные контроллеры «тасуют» биты и байты куда более изощренно, общий принцип остается неизменным.
Напомним, что кодирование битов информации происходит путем изменения заряда в ячейках памяти за счет квантового туннелирования электронов сквозь слой диэлектрика, что вызывает постепенный износ диэлектрических слоев с последующей утечкой заряда. И чем чаще меняется заряд в конкретной ячейке, тем раньше она выйдет из строя. Выравнивание износа как раз направлено на то, чтобы каждая из доступных ячеек перезаписывалась примерно одинаковое количество раз и, таким образом, способствует увеличению срока службы карты памяти.
Нетрудно догадаться, что wear leveling перестает играть хоть сколько-нибудь значимую роль в том случае, если флэш-карта постоянно перезаписывается целиком: здесь на первый план уже выходит выносливость самих чипов. Наиболее объективным критерием оценки последней является максимальное количество циклов программирования/стирания (program/erase cycle), или, сокращенно, циклов P/E, которое способно выдержать флеш-память. Также достаточно точным и в данном случае наглядным (так как мы можем заранее рассчитать объемы перезаписи) показателем является коэффициент TBW (Terabytes Written). Если в технических характеристиках указан лишь один из перечисленных показателей, то вычислить другой не составит особого труда. Достаточно воспользоваться следующей формулой:
TBW = (Емкость × Количество циклов P/E)/1000
Так, например, TBW флеш-карты емкостью 128 гигабайт, ресурс которой составляет 200 P/E, будет равен: (128 × 200)/1000 = 25,6 TBW.
Давайте считать дальше. Выносливость карт памяти потребительского уровня составляет 100–300 P/E, и 300 — это в самом лучшем случае. Опираясь на эти цифры, мы можем с достаточно высокой точностью оценить срок их службы. Воспользуемся формулой и заполним новую таблицу для карты памяти емкостью 128 ГБ. Возьмем за ориентир максимальное качество картинки в Full HD, то есть в сутки камера будет записывать 138 ГБ видео, как мы выяснили ранее.
Кодирование цифрового видеосигнала в системах наблюдения
Кодирование или, проще говоря, сжатие цифрового видеосигнала имеет большое значение в видеонаблюдении. Чтобы понять почему — обратимся к недавней истории.
Цифровой способ съёмки видео впервые был применен в 80-ых годах прошлого века. Тогда это было несжатое, чистое видео, требовавшее огромного количества памяти для его сохранения и использования. Понятно, что в то время устройств для записи таких объемов информации не существовало и тогда были придуманы первые кодеки, предназначенные именно для сжатия виде.
С тех пор сжатие и кодирование используются при записи записи любой видеоинформации. Иначе загрузка, обработка, редактирование, воспроизведение и хранение видеофайлов потребует огромное количество времени и больших по объему хранилищ данных. Кодировка же убирает все эти проблемы.
Сам процесс кодировки достаточно прост. При использовании специальных кодеков поток видеоинформации непрерывно анализируется ими и ненужные/неважные фрагменты данных попросту отсекаются, что помогает значительно уменьшить объем видеофайла.
На сегодняшний день существует два вида сжатия видеоинформации: покадровое (внутрикадровое) и межкадровое кодирование.
Покадровое сжатие обрабатывает каждый кадр видеозаписи как отдельное неподвижное изображение, на подобии фотографии. Данная технология позволяет получить видео хорошего качества, но при этом размер файла уменьшается незначительно по той причине, что при такой кодировке сохраняются все кадры, даже если в кадре нет никаких изменений. То есть, например, из десятка или сотни одинаковых кадров сохраняются все, хотя достаточно всего одного.
Межкадровое сжатие работает по противоположному принципу: при обработке сигнала, анализируется все видеоизображение, но сохраняются только ключевые изменения, например, движение объекта, при этом фон заднего плана и окружающая объект обстановка остаются теми же. Это позволяет значительно уменьшить размер видеофайла в сравнении с покадровым сжатием.
Впрочем, даже самые современные алгоритмы сжатия видео ухудшают качество исходного изображения. Правда, сегодня появились кодеки, которые сжимают видео так, что потери качества практически не происходит.
При этом при сжатии учитываются: разрешение видео, размер файла, способ передачи и загрузки видеофайла, преобладание статичных или динамичных сцен, цветность, контрастность и т.д. В зависимости от применяемого кодека, и зависит качество и размер полученного в итоге видеофайла.
Но и это еще не все, ведь файл полученный при записи видео с камер наблюдения не только должен быть сжат и закодирован, он должен при необходимости распакован и декодирован, причем для этого лучше использовать тот же кодек, что и при сжатии.
Сегодня существует несколько основных стандартов сжатия, применяемых в видеонаблюдении. Рассмотрим их подробнее.
Стандарт сжатия M-JPEG (Motion JPEG)
Это нелицензированный стандарт кодирования, созданный и широко используемый в 90-ых годах. Он использует внутрикадровую технологию сжатия. Цифровой видеоряд, полученный с помощью данного кодека, представляет собой массив полновесных JPEG-изображений. Несмотря на то, что данный кодек позволяет использовать ряд понижающих объем файла инструментов, сегодня его используют крайне редко из-за невысокого качества получаемого изображения, а также по причине минимальной степени сжатия видео.
Стандарт сжатия MPEG-4
Лицензированный стандарт кодирования, использующий объектно-ориентированное (межкадровое) сжатие, то есть когда движение каждого объекта в кадре отслеживается отдельно и на основании этих движений фиксируется видеосигнал. Основной плюс данного кодека является широта настроек степени сжатия, которые можно подобрать под любую скорость передачи данных. Данный формат универсален и используется для просмотра потового видео в реальном времени. Впрочем и это стандарт уже устарел.
Стандарты сжатия H.264 и H.264+
Более современные лицензированные стандарты кодирования, которые существенно уменьшают объем цифрового видеофайла. Данные кодеки вносят минимальные изменения в качество видеоизображения и предназначены для записи видеосигнала в течении продолжительного времени, так как требует небольших пропускных способностей сети и места на жестком диске.
Кодек H.264 — является одним из лучших инструментов для работы в системах видеонаблюдения, особенно при съемке с большой частотой кадров и высоким разрешением. Единственный минус — он требует большей вычислительной мощности оборудования для распаковки и просмотра видеоинформации.
H.264+ более совершенная разновидность кодека, улучшающая некоторые показатели сжатия видеоизображения.
Стандарты сжатия H.265 и H.265+
Лицензированный стандарт H.265 предлагает значительно улучшенное сжатие по сравнению с H.264. Данный кодек сжимает видео почти вдвоелучше, чем его предшественник. То есть с H.265 видео, с одинаковым визуальным качеством, займет лишь половину памяти во сравнению с 264 версией кодека, а видео с одинаковым размером файла и скоростью передачи битов, имеет значительно лучшее качество.
H.265+ улучшает степень сжатия за счет трех ключевых технологий: технологии кодирования с предсказанием, технологии подавления фонового шума и технологии долгосрочного управления видеопотоком.
Как известно, камеры видеонаблюдения умеют различать моменты, когда на выделенном участке наблюдения ничего не происходит и в это время снижают качество, чтобы уменьшить нагрузку на сеть и место на жестком диске. Это может делать кодек Н.265, значения при этом все равно держатся около установленного максимума, в то время как Н.265+ может снизить его вдвое. Такая функция называется управление длительным битрейтом.
Н.265+ может также определять на видео движущиеся объекты и отделять их от фона. В то время, как эти объекты передаются в максимально хорошем качестве, на сжатие повторяющегося фона уходит меньше ресурсов. Что также является большим плюсом и снижает нагрузку на вычислительные ресурсы.
Таким образом для систем видеонаблюдения лучше всего выбирать кодек Н.265+. Првда, подбор необходимого видеокодека зависит прежде всего от актуальности модели видеорегистратора, так как не все модели смогут работать с данным форматом сжатия. Выбор между стандартами сжатия определяется также тем, как часто вам необходимо скачивать и просматривать записанное видео. Если не очень часто, то вполне можно обойтись кодеками попроще
В непрофессиональных системах видеонаблюдения, при простых аппаратных характеристиках оборудования, а также для формирования нескольких потоков видеосигнала (например, для передачи видео по сети или удаленном просмотре с помощью мобильного телефона),достаточно даже использовать кодек MPEG-4, так как он менее требователен к ресурсам системы.
В профессиональных же системах видеонаблюдения, где используется множество видеокамер и имеются видеорегистраторы или серверы с большим объемом памяти лучше кодека Н.265+ для сжатия видео сегодня пока нет, хотя разработки следующих поколений кодеков уже ведутся.
Напоминаем, что наша компания «Запишем всё» с 2010 года занимается монтажом, модернизацией и обслуживанием любых систем видеонаблюдения в Москве и Подмосковье. Мы работаем быстро, качественно и по доступным ценам. Перечень услуг и цены на их вы можете посмотреть здесь.
p4GcRGuXFmeV4ZWTYHVAt18A2 2019-11-25T17:48:34+03:00 25, Ноябрь, 2019 | Выбор системы | Комментарии к записи Кодирование цифрового видеосигнала в системах наблюдения отключены
Затраты на хранение данных зачастую становятся основным пунктом расходов при создании системы видеонаблюдения. Впрочем, они были бы несравнимо больше, если бы в мире не существовало алгоритмов, способных сжимать видеосигнал. О том, насколько эффективны современные кодеки, и какие принципы лежат в основе их работы, мы и поговорим в сегодняшнем материале.
Для большей наглядности начнем с цифр. Пускай видеозапись будет вестись непрерывно, в разрешении Full HD (сейчас это уже необходимый минимум, во всяком случае, если вы хотите полноценно использовать функции видеоаналитики) и в режиме реального времени (то есть, с фреймрейтом 25 кадров в секунду). Предположим также, что выбранное нами оборудование поддерживает аппаратное кодирование H.265. В этом случае при разных настройках качества изображения (высоком, среднем и низком) мы получим примерно следующие результаты.
Кодек
Интенсивность движения в кадре
Использование дискового пространства за сутки, ГБ
H.265 (Высокое качество)
H.265 (Высокое качество)
H.265 (Высокое качество)
H.265 (Среднее качество)
H.265 (Среднее качество)
H.265 (Среднее качество)
H.265 (Низкое качество)
H.265 (Низкое качество)
H.265 (Низкое качество)
Но если бы сжатия видео не существовало в принципе, мы бы увидели совсем иные цифры. Попробуем разобраться, почему. Видеопоток представляет собой не что иное, как последовательность статичных картинок (кадров) в определенном разрешении. Технически каждый кадр является двумерным массивом, содержащим информацию об элементарных единицах (пикселях), формирующих изображение. В системе TrueColor для кодирования каждого пикселя требуется 3 байта. Таким образом, в приведенном примере мы бы получили битрейт:
1920×1080×25×3/1048576 = ~148 Мб/с
Учитывая, что в сутках 86400 секунд, цифры выходят поистине астрономические:
148×86400/1024=12487 ГБ
Итак, если бы мы записывали видео без сжатия в максимальном качестве при заданных условиях, то для хранения данных, полученных с одной единственной видеокамеры в течение суток нам бы потребовалось 12 терабайт дискового пространства. Но даже система безопасности квартиры или малого офиса предполагает наличие, как минимум, двух устройств видеофиксации, тогда как сам архив необходимо сохранять в течение нескольких недель или даже месяцев, если того требует законодательство. То есть, для обслуживания любого объекта, даже весьма скромных размеров, потребовался бы целый дата-центр!
К счастью, современные алгоритмы сжатия видео помогают существенно экономить дисковое пространство: так, использование кодека H.265 позволяет сократить объем видео в 90 (!) раз. Добиться столь впечатляющих результатов удалось благодаря целому стеку разнообразных технологий, которые давно и успешно применяются не только в сфере видеонаблюдения, но и в «гражданском» секторе: в системах аналогового и цифрового телевидения, в любительской и профессиональной съемке, и многих других ситуациях.
Наиболее простой и наглядный пример — цветовая субдискретизация. Так называют способ кодирования видео, при котором намеренно снижается цветовое разрешение кадров и частота выборки цветоразностных сигналов становится меньше частоты выборки яркостного сигнала. Такой метод сжатия видеоданных полностью оправдан как с позиции физиологии человека, так и с точки зрения практического применения в области видеофиксации. Наши глаза хорошо замечают разницу в яркости, однако гораздо менее чувствительны к перепадам цвета, именно поэтому выборкой цветоразностных сигналов можно пожертвовать, ведь большинство людей этого попросту не заметит. В то же время, сложно представить, как в розыск объявляют машину цвета «паука, замышляющего преступление»: в ориентировке будет написано «темно-серый», и это правильно, ведь иначе прочитавший описание авто даже не поймет, о каком оттенке идет речь.
А вот со снижением детализации все оказывается уже совсем не так однозначно. Технически квантование (то есть, разбиение диапазона сигнала на некоторое число уровней с последующим их приведением к заданным значениям) работает великолепно: используя данный метод, размер видео можно многократно уменьшить. Но так мы можем упустить важные детали (например, номер проезжающего вдалеке автомобиля или черты лица злоумышленника): они окажутся смазаны и такая запись будет для нас бесполезной. Как же поступить в этой ситуации? Ответ прост, как и все гениальное: стоит взять за точку отсчета динамические объекты, как все тут же становится на свои места. Этот принцип успешно используется со времен появления кодека H.264 и отлично себя зарекомендовал, открыв ряд дополнительных возможностей для сжатия данных.
Читайте также: