Заместитель директора по развитию Андреев Кузьма.
 

Форматы видеосжатия. Часть 2

Читать начало: часть 1
 

H.264 и MPEG-4

В системах видеонаблюдения для сжатия по методу MPEG-4 и H.264 возможны варианты проведения процедуры как в межкадровом варианте (серией кадров), так и внутри одного кадра. Как правило MPEG-4 производит кодирование по межкадровому алгоритму. Видеокодек P.264 (MPEG-4 part 10 или оптимизированный MPEG-4) осуществляет кодирование не в последовательности кадров, а в связанной цепочке видеопотока. Другими словами, каждый последующий кадр привязывается к предыдущему и содержит лишь те данные, которые являются отличительными от опорного изображения.

В этом и есть основное преимущество данного формата, поскольку в большинстве случаев, общий план изображения всегда остаётся неизменным, а меняется лишь определённая область, где появляется движущийся объект. Таким образом, чем больше в видеоизображении неизменных деталей, тем меньше будет размер выходного файла.

Для примера, формат MJPEG предполагает создание видеоизображения путём объединения нескольких кадров, каждый из которых будет иметь размер 200 Кбайт. В отличие от этого, при сжатии по алгоритму H.264 будет создано одно исходное изображение с размером 200 Кбайт и связующие от него кадры с изменениями, которые будут иметь гораздо меньший объём, если картинка не будет меняться. В результате видеосъёмка одного и того же объекта с одинаковым интервалом в формате H.264 будет иметь размер выходного файла на 70-90% меньше, чем в формате MJPEG. Это, естественно, уменьшает нагрузку на сеть, занимая меньшую долю пропускной способности, но зато требует большей вычислительной мощности оборудования.
 

Механизмы кодировки разных стандартов

Как уже было ранее упомянуто, при кодировке алгоритмом MJPEG из видеоряда удаляется ненужная информация, которая не несёт информативности и незаметна человеческому глазу.

При сжатии посредством кодека H.264 создаются так называемые I-Frames – опорные кадры, которые содержат полное изображение и P-Frames – кадры которые содержат изменения в сравнении с опорным кадром, а так же промежуточный В-Frames – фреймы, которые несут информацию с изменениями одного последующего кадра и одного предыдущего. При потоковой компрессии применяется метод поблочной компенсации движения и дифференциального кодирования.

Дифференциальное кодирование подразумевает сжатие лишь тех пикселей, которые изменились в сравнении с пикселями опорного фрейма. Данный метод приемлем при незначительных изменениях в кадре, например, долгом отсутствии движущихся объектов на общем фоне.

При постоянных изменениях кодируемого изображения применяется метод с поблочный компенсацией. При таком методе, кадр разбивается на несколько областей – макроблоков, и сравнение с опорными кадрами происходит именно по эти макроблокам.

Принцип изменения картинки заключается в появлении движущихся объектов в кадре, а не изменение всей области, поэтому изменения заключается в конкретных макроблоках. Система отслеживает те участки, которые не потерпели изменения в сравнении с предыдущим кадром и сохраняет информацию о их расположении в кадре. Для кодировки этих данных затрачивается гораздо меньший битрейт, чем в случае с отдельным блоком.

С целью увеличения эффективности сжатия видеоизображения по стандарту H.264 был разработан более совершенный алгоритм кодирования. Он заключается в кодировании I-frames методом предсказания, что позволяет уменьшить размер получаемых изменений и сохранить отличное качество изображения.

Для осуществления данного алгоритма используются моноблоки, и сравнение активных пикселей уже проводится по ним. Сжатие P-Frames и B-frames выполняется по усовершенствованному механизму поблочной компенсации движения: видеокодер самостоятельно ищет аналогии блоков в произвольном количестве областей опорных кадров. Если для определения требуется изменить габариты или форму блока, видеокодер делает это.

Процесс сжатия и распаковки всегда осуществляется с задержкой, поскольку системе требуется время на кодирование, переправку данных по сети, распаковку и трансляцию видеоизображения на клиентские мониторы. Время задержки является основополагающим фактором при управлении видеокамерами в режиме реального времени.

Так же немаловажным параметром является коэффициент сжатия, который предопределяет насколько сжатый кадр будет отличаться от исходного. Чем выше коэффициент сжатия, тем сильнее будет сживаться кадр, соответственно он будет иметь меньший бит, что даст более высокую скорость передачи по сети и меньший объём файлового размера. Однако следует учитывать, что при сильном сжатии теряется большая часть полезной информации, которая могла быть использована при анализе.

…

Читать продолжение: часть 3

Заместитель директора по развитию Андреев Кузьма.