Заместитель директора по развитию Андреев Кузьма.
 

Форматы видеосжатия. Часть 1

Перед началом построения системы видеонаблюдения инсталлятору приходиться решать множество задач, касающихся условий и снов работы будущей видеосистемы. Наряду с такими решениями, как выбор видеокамер, дополнительного оборудования, серверов, программного обеспечения, стоит не менее важный вопрос – определение оптимального кодека для сжатия видеоизображения. Многие упускают этот момент в пользу случая, – какой будет определён видеосервером или камерами видеонаблюдения, однако это далеко не самое верное решение.

Ведь от выбора основного метода кодировки зависит не только качество выходного изображения, но и эффективность работы системы, пропускная способность сети, длительность наполнения архива данных и прочее.

На сегодняшний день, основными методами компрессии являются стандарты MJPEG, MPEG4 и H.264 (MPEG-4 part 10). Вокруг этих трёх кодеков сложилось немало споров и разногласий, которые ведутся уже не первый год и так до сих пор и не пришли к единому мнению. Споры заключаются в том, какой алгоритм лучше, эффективнее, качественнее, занимает меньше места, обладает лучшей пропускной способностью и так далее.

Однако смысл в том, что каждый формат по-своему хорош и выбор необходимо делать, основываясь на особенностях конкретного, а так же на соответствии его характеристик вашим условиям. В данной статье мы как раз рассмотрим особенности данных форматов, характеристики, которые следует учитывать при выборе, а так же технологиях, что используются для анализа и обработки видеопотоков.
 

Компрессия видеоизображения

Видеоизображение, которое поступает на видеосервер или хранилище данных с IP-камер, уже находится в сжатом виде, так как камеры производят автоматическую оцифровку с помощью встроенного блока компрессии. Как правило, процесс сжатия заключается в удалении некоторых особенностей видеоизображения, которые незаметны человеческому глазу и не несут никакой информативности. В некоторых случаях кодирование может осуществляться практически без потерь информации, за счёт других условий.

Сжатое видеоизображение занимает меньшее место на жестком диске в равнении с неформатированным, а так же обладает лучшей пропускной способностью, что крайне важно для передачи данных по сети. При просмотре сжатого видео, программный комплекс автоматически производит распаковку по аналогичному кодеку. Подобная комбинация сжатия и последующего преобразования в обратный вид при просмотре называется видеокодеком. У разных типов видеокодеков определённые алгоритмы сжатия и распаковки, поэтому они не могут быть совместимы, т.е. видеоизображение сжатое в одном формате не может быть воспроизведено с помощью другого кодека.

Различают несколько типов компрессии:

• сжатие без потерь – выходное изображение полностью соответствует исходному;
   
• сжатие с потерями – кодирование предполагает исключение определённых деталей из общего видеопотока. Данный метод имеет несколько вариантов осуществления кодировки:

1. компрессия с процентными потерями – минимальные исключения кадров, которые незаметны человеческому глазу настолько, что невозможно отличить исходник от сжатого видео.
    
2. компрессия с естественными потерями – разница между сжатым и оригинальным изображением заметна, но отличия не ярко выражены и удалённые области не несут никакой информативности для последующего анализа видеоизображения.
    
3. компрессия с неестественными потерями – после кодирования, качество изображения существенно ухудшаются, появляются заметные артефакты и искажения, значительно снижается чёткость и детализация изображения, появляются области с объединёнными цветовыми палитрами, становится заметной пиксельность и зернистость. Такое изображения не подходит для анализа программными инструментами, так как приведёт к выдаче ложных данных. Кодирование таким методом необходимо лишь в одном случае – когда требуется существенно снизить размеры архивов.

Для кодирования некоторые алгоритмы сжатия используют снижение числа цветовых оттенков и цветовых разрешений, исключение мелких деталей картинки, предопределение некоторых областей кадра на основе предыдущих кадров, устранение идентичных пикселей. В нормализированном порядке подобные изменения абсолютно незаметны человеческому взгляду и не препятствуют программной видеоаналитике.
 

Форматы компрессии видеоизображения

На данный момент представлено огромное количество различных форматов видеокомпрессии, но наиболее популярными и распространёнными стали три: MJPEG, MPEG-4 и H.264. Далее рассмотрим особенности каждого из них.

MJPEG

Методом MJPEG видеоряд строится на основе последовательных статичных кадров формата JPEG. Компрессия осуществляется по отдельности для каждого кадра. Это провоцирует абсолютную независимость в каждом изображении. Отличительная особенность данного метода компрессии заключается в том, что при проигрывании видеоизображения, картинка всегда обладает отличным качеством, даже отдельные стоп-кадры выглядят как фотография, что позволяет сделать качественный скриншот на любом участке видео.

Видеопоток, кодированный по алгоритму MJPEG, не требует высокой производительности центрального процессора, однако существенно нагружает сеть, поскольку обладает завышенными требованиями пропускной способности сети и обладает большими размерами, что требует внушительного дискового пространства для его хранения.

В любом случае, как и все другие методы кодирования, MJPEG для так же характерны появления некоторых искажений и артефактов, таких как, блочность и поля с объединёнными цветами, но при должной настройке параметров кодирования на видеокамере, такие погрешности буду абсолютно незаметны.

…

Читать продолжение: часть 2 и часть 3.

Заместитель директора по развитию Андреев Кузьма.