О КОМПАНИИ ОТЗЫВЫ ВАКАНСИИ КООРДИНАТЫ КАРТА САЙТА
На главную Напишите нам
 
  Часы работы
нашего офиса:
пн-пт с 9-00 до 18-00
Мы всегда рады
Вашим звонкам
Видеонаблюдение Видеодомофоны СКД Системы оповещения АТС Монтаж Полезное Клиенты
Статьи
Возможности алгоритма компрессии MPEG-4 в охранных системах
Программное обеспечение для СКУД
Регистрация транспорта в СКУД
Техника уличного базирования
Усиленные алгоритмы в системах доступа особо важных объектов - часть 3
Усиленные алгоритмы в системах доступа особо важных объектов - часть 2
Усиленные алгоритмы в системах доступа особо важных объектов - часть 1
Аппаратная компрессия
IP - видеонаблюдение : от слов к делу
Полноростовые роторные турникеты
Полуростовые турникеты - верные помощники службы безопасности
Видеокамера: задачи и оценка выбора
Распознавание человека по радужке
Банк и офис - различия в организации режима шлюзования
О современном подходе в вопросах разработки и внедрения СКУД
День-ночь...
Видеонаблюдение в системах охраны периметра
Охват охранной системы видеонаблюдения
Цифровая обработка изображений в ТВ системах наблюдения и охраны
СКУД – с чего начать?
Инфракрасная подсветка при видеонаблюдении
Глоссарий
Вопросы-ответы
Инструкции
Программное обеспечение

Сегодня компания "Бизнес Безопасность" предлагает своим клиентам лучшие системы безопасности и охранные системы: цифровые системы видеонаблюдения, системы контроля доступа, системы оповещения и связи. Нашими приоритетами являются высокое качество обслуживания клиентов, доступность цен на товары и услуги.

Охранные системы, установленные нашей компанией, высокотехнологичны и надежны. Наши клиенты имеют возможность получить самые последние разработки в области систем видеонаблюдения и охраны.


Возможности алгоритма компрессии MPEG-4 в охранных системах

Возможности алгоритма компрессии MPEG-4 в охранных системах

А.Путятин А. Машовец

Системы цифровой видеорегистрации

Можно с уверенностью констатировать тот факт, что сегодня цифровые технологии в системах охранного видеонаблюдения вытесняют аналоговые. Во многом это происходит благодаря наличию в цифровых системах функции компрессии - сжатию видеоизображения. Однако пользователю трудно разобраться во всем многообразии комбинаций алгоритмов компрессии, предлагаемых производителями. Между тем именно выбор алгоритмов сжатия представляется одним из наиболее важных этапов при построении охранных видеосистем

Любой кадр, будучи элементом видеоизображения, обладает пространственной избыточностью, поскольку его соседние точки обычно близки по цвету и яркости. Видеоизображение как поток отличается также временной избыточностью, поскольку его соседние кадры сильно коррелированны друг с другом. Основная идея всех современных алгоритмов компрессии состоит в устранении пространственной избыточности. Однако в последнее время наибольшее распространение получают алгоритмы дельта-компрессии, устраняющие и пространственную, и временную избыточность. Одними из наиболее перспективных считаются алгоритмы семейства MPEG, в частности MPEG-4.

Практика показывает, что цифровые видеосистемы разных производителей, использующих на первый взгляд одинаковый тип компрессии MPEG-4, в действительности имеют совершенно разные базовые характеристики, такие как качество изображения и степень компрессии. Это обусловлено наличием множества настроек, инструментов, матриц квантования, профайлов и, наконец, кодеков: вряд ли удастся найти две абсолютно идентичные системы, использующие компрессию MPEG-4.

История развития MPEG

В 1988 г. Международная организация по стандартизации ISO и Международная электротехническая комиссия IEC образовали группу экспертов для разработки стандартов кодирования движущихся изображений и звука с целью устранения пространственной и временной избыточности. Свое нынешнее название MPEG -Moving Picture Expert Group (группа экспертов по движущимся изображениям) - данная организация приобрела только в 1998 г. Основными проектами MPEG являются:

  • MPEG-1 (ISO/IЕС 11172) - кодирование изображения и звука при скоростях передачи данных до 1,5 Мбит/с;
  • MPEG-2 (ISO/IEC 13818) - обобщенное кодирование изображения и звука;
  • MPEG-4 (ISO/IEC 14496) - кодирование аудиовизуальных объектов; • MPEG-7 (ISO/IEC 15938) - описание содержания объектов мультимедиа.

Из этого списка лишь стандарт MPEG-7 пока не утвержден ISO, но работа над всеми проектами (кроме MPEG-1) продолжается. Основной задачей MPEG является устранение пространственной (за счет дискретного косинусного преобразования) и временной (с помощью дифференциального кодирования с компенсацией движения) избыточности. MPEG-4 -это широкий открытый стандарт, охватывающий большое количество подстандартов. Применительно к системам охранного видеонаблюдения наибольший интерес представляют следующие из них:

  • ISO 14496-2 - ASP (Advanced Simple Profile - продвинутый простой профайл), которому соответствуют XviD, DivX5, 3ivx и др.;
  • ISO 14496-10 - AVC (Advanced Video Coding - продвинутое кодирование видео), также известное как Н.264.

Важно отметить, что процедура кодирования жестко не регламентируется стандартом, что оставляет возможности для совершенствования кодеров и улучшения качества воспроизводимого изображения разработчиками систем охранного видеонаблюдения.

Структура алгоритма дельта-компрессии MPEG-4

Идея алгоритма MPEG-4 заключается в том, что в результате компрессии сохраняются только отличия между соседними кадрами видеопотока. Из-за сильной корреляции между соседними кадрами такие отличия ничтожно малы, и разность занимает очень малый объем. При этом первый (эталонный) кадр также подвергается компрессии для устранения пространственной избыточности.

В соответствии с используемыми методами дифференциального кодирования различают три типа изображения:

  • I (Intra-coded picture) - изображение кодируется с использованием лишь той информации, которая содержится в нем самом. Устраняется только пространственная избыточность;
  • Р (Predictive-coded picture) - изображение, при кодировании которого формируется разность между исходным изображением и прогнозом, полученным на основе предшествующего или последующего изображения типа I;
  • В (Bidirectionally-predicted-coded picture) - изображение, при кодировании которого используется прогноз, сформированный на основе предшествующего и последующего изображений типа I или Р.

При кодировании изображения типов Р и В используется межкадровое кодирование. При этом устраняется и пространственная, и временная избыточность (рис. 1). Группой изображений называется их последовательность, содержащая одно 1-изображение. Чем крупнее группа изображений, тем большая степень компрессии может быть достигнута. Например, представим себе группу из 7 изображений со следующей структурой: 1-В-В-Р-В-В-Р. После компрессии объем изображений типа Р для типичных задач охранного телевидения будет составлять примерно 6% объема изображения типа I, а В-изображения - примерно 5%. Объем данных, которые после компрессии представляют всю группу из 7 изображений, будет равен 1,35 изображения типа I. Но если бы не было сокращения временной избыточности, то необходимый объем данных был бы в 5,18 (7:1,35) раза больше. Этот коэффициент 5 и дает уменьшение скорости потока данных, достигаемое за счет использования компрессии MPEG-4 с группами из 7 изображений.

Рис. 1. Видеопоследовательность и группа изображений

Чем значительнее группы изображений, тем больше преимущества, обеспечиваемые за счет устранения временной избыточности. Поэтому применение компрессии MPEG-4 с устранением временной избыточности в системах видеорегистрации целесообразно с точки зрения сокращения дискового пространства и одновременно увеличения глубины архива, а также уменьшения скорости потока данных при передаче по каналам связи.

Принципы видеокомпрессии MPEG-4

Сокращение пространственной избыточности выполняется в изображениях типа I и достигается набором следующих основных операций кодирования:

  • дискретное косинусное преобразование;
  • взвешенное квантование, определяемое элементами матрицы квантования;
  • энтропийное кодирование серии коэффициентов косинусного преобразования, полученного в результате зигзаг-сканирования матрицы коэффициентов.

Сокращение временной избыточности осуществляется методом дифференциальной импульсно-кодовой модуляции с компенсацией движения при кодировании изображений типа Р и В. При кодировании формируется разность между исходным изображением и прогнозом, полученным на основе предшествующего и/или последующего изображения. Полученная разность подвергается дискретному косинусному преобразованию, взвешенному квантованию и энтропийному кодированию.

Для повышения точности прогноза и соответственно сокращения объема необходимых для представления изображения данных используется компенсация движения. Оценивается скорость перемещения движущихся объектов от кадра к кадру и при формировании прогноза производится соответствующая коррекция в положении опорного изображения. Определение величины и направления смещения движущихся объектов от кадра к кадру называется вектором движения. Оценка вектора движения представляет собой сложную процедуру, требующую больших вычислительных мощностей. Именно этот факт затрудняет применение MPEG-4 в цифровых многоканальных охранных системах видеорегистрации реального времени. Если мы говорим о так называемых системах PC-based, то мощности современного центрального процессора будет едва хватать для качественной компрессии даже 4-8 каналов живого изображения. Это обуславливает необходимость применения дополнительных специализированных вычислительных мощностей - как правило, плат аппаратной компрессии. Чем значительнее мощность у платы аппаратной компрессии, тем больше возможностей открывается для применения дополнительных инструментов компрессии MPEG-4. Тем самым можно достичь большего уровня компрессии при лучшем качестве декодированного изображения.

Режимы работы кодера

Возможны два основных режима работы кодера компрессии MPEG-4: с постоянной скоростью потока данных и неизменным уровнем качества декодированного изображения. Как регулируется скорость потока? Возможность управления степенью компрессии и скоростью потока данных обеспечивает изменение параметров матрицы квантования: чем более грубое квантование, тем больше нулевых значений в матрице коэффициентов и тем меньше объем данных, необходимых для передачи информации об изображении. Однако с увеличением степени компрессии растут и необратимые искажения изображения из-за шумов квантования.

В режиме работы декодера с постоянным качеством используется фиксированная матрица квантования. Но при этом скорость потока компрессированных данных является переменной. Чем больше детальность изображения, чем быстрее перемещается объект в поле изображения, тем больше количество ненулевых коэффициентов в матрице коэффициентов косинусного преобразования, тем больше объем данных и скорость потока. Такой режим обычно используется при записи компрессированных потоков видеоданных на дисковые накопители в условиях необходимости получения стабильно высокого качества декомпрессированного изображения.

В режиме работы декодера с постоянной скоростью потока данных осуществляется непрерывное изменение коэффициентов матрицы квантования. Чем мельче детали, чем динамичнее изображение, тем более грубое квантование вводится в кодере для того, чтобы привести к заданной величине скорость потока. Это означает, что в декодированных изображениях с большим количеством быстро движущихся мелких деталей из-за шумов квантования будет больше искажений и артефактов, чем в статичных изображениях с крупными структурными элементами. Такой режим обычно используется в системах передачи компрессированных изображений по каналам связи с фиксированной пропускной способностью.

В качестве примера приведем обычную для охранного видеонаблюдения ситуацию изменения активности движения в течение суток. Днем активность движения выше и соответственно для поддержания стабильного качества возрастет видеопоток сжатых данных. В случае настройки кодера на поддержание стабильного потока качество воспроизводимого изображения обратно пропорционально активности движения (см. рис. 2а и 2в).

Рис. 2а. Кодер, настроенный на поддержание стабильного качества



Рис. 2в. Кодер, настроенный на поддержание стабильного потока

Инструменты MPEG-4

Важной особенностью алгоритмов компрессии семейства MPEG-4 является наличие дополнительных инструментов, которые позволяют разработчикам цифровых видеосистем адаптировать этот универсальный алгоритм для специфических задач охранного видеонаблюдения.

Набор инструментов, доступный для той или иной разновидности MPEG-4, определяется профайлом, однако это не указывает на то, что при кодировании изображения тем или иным профайлом используются все его инструменты. Использование некоторых инструментов ограничивается вычислительными возможностями кодирующей системы или, как в нашем случае, цифрового видеорегистратора.

MPEG-4, ISO 14496-2 (Часть 2)

MPEG-4 "Часть 2" - подстандарт, определяющий широкий набор инструментов для кодирования. Наиболее распространенным оказался продвинутый простой профайл ASP. Он допускает размер изображения до 720 х 576 пикселей и частоту смены кадров до 30 fps. Этот профайл предоставляет несколько дополнительных инструментов и может применяться для видеостандарта PAL и NTSC.

B-Frames/B-VOPS/Bi-directional encoding -В-кадры/двунаправленное кодирование

В отличие от 1-кадров, которые содержат все изображение и не зависят от других кадров, и Р-кадров, которые содержат только измененные части изображения из предыдущего I- или Р-кадра, В-кадры используют информацию, содержащуюся в предыдущем и последующем I- или Р-кадре. Поэтому В-кадры могут быть сжаты гораздо сильнее, чем другие типы кадров. Это значительно улучшает качество и повышает сжимаемость.

Quarter Pixel Motion Search Precision (QPEL) - четверть-пиксельная точность определения движения

Большинство MPEG-4 кодеков по умолчанию обнаруживают движение между двумя кадрами с точностью в половину пикселя (HalfPel). Теперь же, имея QuarterPel, передвижения объектов на четверть пикселя могут быть обнаружены, эффективно удваивая точность! Это означает, что вы получите более четкое изображение, используя QPEL.

Global Motion Compensation (GMC) - глобальная компенсация перемещения

GMC определяет, насколько сходны параметры передвижений больших частей кадра. Если направления движений совпадают, то GMC начинает действовать и для всех подобных частей применяет один вектор взамен нескольких. Это помогает сэкономить биты, когда мы имеем дело с поворотными камерами, то есть с изменением масштаба изображения, движения или вращения. Эффективность зависит от того, насколько хороша реализация GMC (сколько warppoints предлагается).

MPEG/Custom Quantization - MPEG-индивидуальная квантизация

В то время как простой профайл MPEG-4 предполагает использование только п.263-кванти-зации, ASP допускает использование квантизации индивидуальных типов. Итак, MPEG-4 ASP стал популярен благодаря кодеку DivXS, именем которого очень часто называют видео, соответствующее ASP@L5. Однако очень важно осознавать, что существуют другие кодеки MPEG-4 ASP, которые совместимы с MPEG-4 не более и не менее, чем DivXS.

MPEG-4, ISO 14496-10 (Часть 10)

AVC/H.264 - это часть MPEG-4 стандарта, определяющая один из самых современных и технически совершенных форматов видеокодирования. Он был завершен и специфицирован в 2003 г. совместно двумя группами: MPEG и VCEG (Video Coding Experts Group) из Интернационального телекоммуникационного союза (ITU) Организации Объединенных Наций. Со стороны MPEG стандарт называется "MPEG-4. Часть 10" (ISO 14496-10), а со стороны ITU -Н.264 (по номеру документа ITU). Под этим названием формат уже широко известен. "Официальное" наименование нового стандарта, Advanced Video Coding (AVC), или продвинутое кодирование видео AVC/H.264 определяет несколько разных профайлов, а также содержит следующие основные инструменты:

CAVLC/CABAC - Context-Adaptive Variable Length Coding и Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding

Современные, более сложные, чем в ASP, инструменты для статистического кодирования синтаксиса потока битов (тип макроблока, вектор движения + референсный индекс). CAVLC -это метод сжатия, используемый AVC по умолчанию. САВАС - более действенный метод, помогающий снизить битрейт еще на 10-15% (особенно на высоких битрейтах). Оба метода обеспечивают сжатие без потерь и, следовательно, не повредят качеству, хотя снизят скорость кодирования и декодирования.

Loop/Deblocking-фильтр

В отличие от предфильтрации Loop-фильтрация применяется для каждого кадра после того, как он был кодирован, но до его использования для кодирования последующих кадров. Это помогает избежать артефактов-блоков, особенно на низких битрейтах.

Variable Block Sizes -переменные размеры блока

В отличие от ASP, где размеры блоков могут быть 16x16 и 8x8 пикселей, AVC предлагает деление макроблоков до 4x4 пикселей. Размер блоков адаптивен и переменен, хороший кодировщик способен выбрать наиболее эффективный размер каждого конкретного макроблока.

Multiple Reference Frames -множественно связанные кадры

Если в ASP для кодирования кадра разрешается использовать информацию только из кадров, расположенных рядом с ним, то в AVC, анализируя передвижения частей изображения, можно выбирать информацию из множества кадров. Это означает, что кодек, кодируя кадр, может опираться на предыдущий кадр (как в ASP) или на кадр, стоящий еще дальше (раньше). Однако при этом заметно снижается скорость кодирования и декодирования.

Rate Distortion Optimization (RDO)

RDO позволит кодировщику принимать наиболее эффективные решения, когда ему придется делать выбор. RDO - это не инструмент, определенный спецификацией AVC, а новый подход к принятию решений, который впервые представлен в Н.264.

Преимущества MPEG-4:

1. Открытость и совместимость алгоритма MPEG-4 позволяет любому производителю адаптировать его для решения специфических задач с учетом аппаратных возможностей.

2. Высокая степень компрессии потокового видеостандарта MPEG-4 (в отличие от JPEG и Wavelet) дает возможность устранять не только пространственную, но и временную избыточность.

3. Возможность выбора режима кодера способствует поддержанию стабильного качества изображения или фиксированного уровня потока данных.

Недостатки MPEG-4:

1. Высокая потребность в ресурсах вычислительных мощностей для компрессии и декомпрессии видеоизображения. Увеличение вычислительной мощности позволяет расширить набор инструментов для компрессии и декомпрессии, что в результате приводит к повышению качества воспроизводимого изображения при повышении степени компрессии. Как правило, это приводит к повышению стоимости конечного продукта.

2. Высокая зависимость качества изображения от "настроек" компонентов процесса компрессии и декомпрессии, которая при неоптимальных параметрах ведет к понижению уровня компрессии, ухудшению качества изображения и появлению артефактов.

Основные выводы

Обобщая все вышесказанное, хочется отметить, что MPEG-4 - очень гибкий алгоритм компрессии, имеющий множество настроек, варьирующих применение кодеков, матриц квантования, инструментов и т.д. (см. таблицу). Область применения MPEG-4 чрезвычайно широка: от передачи эфирного телевидения и компрессии DVD-материалов до специализированных применений потоковой многоканальной компрессии в системах охранного видеонаблюдения.

Таблица. Структура MPEG-4

Подстандарты
ISO 14496-2 (ASP) IS0 14496-10 (AVC/h.264)
Профайлы/Уровни
Более 7 профайлов и уровней Три основных профайла
Инструменты
Набор инструментов и настроек, соответствующий каждому уровню и профайлу Расширенный выбор инструментов и настроек, соответствующий каждому уровню и профайлу
Кодировщики/Декодеры
Набор кодеров/декодеров с индивидуальными параметрами настроек и наборами инструментов Набор кодеров/декодеров с индивидуальными параметрами и наборами инструментов

Очевидно, что кодеки, предназначенные для компрессии DVD-видеоматериалов, не всегда являются оптимальными для мультиканальной компрессии реального времени, используемой в охранном видеонаблюдении. Применение в цифровых видеосистемах MPEG-4 не гарантирует высокого качества и высокого уровня компрессии. Неоптимальные "настройки" ведут к резкой потере качества, возникновению артефактов и увеличению объема видеопотока.

Оптимизация подбора настроек к аппаратным возможностям систем, позволяющая эффективно выполнять компрессию и декомпрессию, -непростая задача. Она требует участия квалифицированных разработчиков, а также много времени и средств, чем располагает не каждая компания-производитель цифровых видеосистем.

Об авторах:

  • А.Е. Путятин, региональный представитель компании Videte IT (Германия), к.э.н.
  • А.Н. Машовец, главный специалист компании "Аквилон-А" (Россия)

    Источник: Системы цифровой видеорегистрации. Специальное приложение к журналу "Системы безопасности" №2(68), 2006

  • О КОМПАНИИ | ОТЗЫВЫ | ВАКАНСИИ | КООРДИНАТЫ | КАРТА САЙТА
    © www.bis-security.ru - видеонаблюдение, системы видеонаблюдения, видеодомофоны