Среднее время чтения - 9 мин. 12 сек. Обновлено 23.12.2022.
С развитием рынка видеонаблюдения и появлением мегапиксельных видеокамер все большее значение приобретает компрессия видеосигнала при его хранении и передаче по сети. Кодирование и последующее декодирование сигнала уменьшает нагрузку на каналы передачи данных и позволяет обойтись меньшим объемом архива.
Компрессия сигнала производится при помощи кодеков, самыми известными из которых являются H.264, MPEG-4 и MJPEG. В чем их особенности? Можно ли однозначно сказать, что один из них лучше другого? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно определиться…
Что такое хороший кодек?
Итак, каким требованиям должен удовлетворять кодек для охранного видеонаблюдения?
? Высокая степень (и скорость!) компрессии
Кодек должен обеспечивать высокую компрессию видеосигнала с большой производительностью и минимальными задержками. Это необходимо для снижения нагрузки на сеть и уменьшения объема архива, а также для синхронизации данных и повышения безопасности объекта (из-за большого времени задержки охрана может не успеть среагировать на нештатную ситуацию).
? Высокое качество картинки
Любой кодек портит изображение (так называемые потери компрессии). В хорошем кодеке потери качества картинки должны быть сведены к минимуму – ведь в видеонаблюдении важной может оказаться любая деталь в кадре. Не следует забывать о возможности предоставления данных в различные инстанции (включая судебные) и о технологиях идентификации объектов, для которых высокое качество картинки просто необходимо.
? Низкая нагрузка на оборудование
Чем сильнее степень компрессии – тем более производительным должен быть процессор кодирующего / декодирующего устройства, а это ведет к повышению стоимости оборудования.
? Простой доступ к видеоданным
Для охранного видеонаблюдения важно иметь возможность быстрого доступа к конкретному кадру, причем как при просмотре в реальном времени, так и из архива.
? Бюджетность
Кодек не должен существенно увеличивать общую стоимость системы видеонаблюдения – а это относится и к пропускной способности каналов связи (их прокладка или аренда), и к объему архива для хранения данных, и собственно к оборудованию (кодеры и декодеры).
Даже на первый взгляд видно, что эти требования во многом противоречат друг другу. Высокая степень и скорость компрессии требует больших мощностей процессора – а это приводит к существенному увеличению стоимости оборудования для обработки сигнала. Да и качество изображения при этом страдает. Но если сигнал сжат слабо – стоимость системы возрастет за счет большого объема архива и повышенных требований к каналам связи, хотя качество картинки, скорее всего, будет лучше.
Скачивайте и используйте уже сегодня:
10 шагов, которые помогут выбрать добросовестного подрядчика
Поможет сохранить бюджет и уложиться в сроки проекта
Поэтому идеального кодека в настоящее время, увы, просто не существует. Можно только подобрать кодек, более-менее оптимальный для конкретной системы видеонаблюдения с учетом поставленных перед ней задач.
Кодеки принято делить на потоковые или Inter (H.264 и MPEG-4) и покадровые или Intra (MJPEG). Основное различие между этими типами кодеков заключается в том, что покадровые сжимают каждый отдельный кадр, который является опорным, а потоковые оперируют с группой кадров, сохраняя не сам кадр, а изменения в нем по отношению к предыдущим или последующим кадрам.
MJPEG (Motion JPEG)
Этот покадровый кодек отличается простотой и быстротой сжатия данных, легкостью доступа к конкретному кадру и самой низкой степенью компрессии. Его особенности:
- низкие требования к оборудованию обработки данных;
- высокое качество картинки;
- малое время обработки (задержки) сигнала;
- простота получения кадров из архива;
- большой объем архива (вследствие большого «веса» данных);
- высокие требования к пропускной способности сети.
Покадровый метод компрессии MJPEG рекомендуется использовать в бюджетных сетях с низкими вычислительными мощностями и камерами не самого высокого разрешения, а также там, где качество картинки является приоритетным.
MPEG-4
Этот потоковый (или внешнекадровый) кодек является общепринятым мировым стандартом при оцифровке и сжатии видео и звука, он активно применяется в телевещании и киноиндустрии, при записи фильмов на диски и т.п. При компрессии сигнала применяются сложные алгоритмы, причем обрабатывается группа кадров с сохранением только изменений в кадре.
Сложные алгоритмы сжатия требуют больших вычислительных ресурсов и большего времени на обработку сигнала. Небольшая задержка и потеря качества картинки на экране телевизора допустима… а на мониторе наблюдения оператора? Что, если именно эта задержка приведет к беде, а «потеряется» самая нужная часть кадра? Особенности кодека MPEG-4:
- более высокая степень компрессии (по сравнению с MJPEG);
- требуется меньше дискового пространства для хранения архива;
- ниже требования к пропускной способности сети;
- требуются более мощные процессоры (т.е. более дорогие кодеры и декодеры);
- более сложное восстановление отдельного кадра;
- увеличивается задержка при передаче сигнала.
H.264 (MPEG-4 part 10)
Хотя формально H.264 является не более чем разновидностью MPEG-4, его принято считать отдельным кодеком… возможно, из-за его быстро возрастающей популярности у производителей оборудования для охранного видеонаблюдения.
Как и MPEG-4, кодек H.264 обрабатывает группы кадров, при этом применяются еще более сложные алгоритмы для достижения еще большей степени компрессии данных. При сжатии в памяти одновременно сохраняются несколько обрабатываемых кадров (с прямым доступом к каждому кадру), поэтому H.264 отличается самой большой задержкой… но и самой высокой степенью сжатия.
Кодек H.264 – хороший выбор для систем видеонаблюдения с большим числом мегапиксельных видеокамер и хорошими вычислительными мощностями, при этом снижаются требования к каналам передачи данных и размеру архива. В России этот кодек получил большое распространение не в последнюю очередь из-за низкой пропускной способности сетей.
Принято считать, что H.264 сжимает изображение примерно на 50% лучше, чем MPEG-4, и на 80% - чем MJPEG. К примеру, средний «вес» кадра от двухмегапиксельной камеры, сжатого при помощи MJPEG, около 280 кб; при помощи MPEG-4 – более 30 кб; а кодек H.264 сожмет 2-х мегапиксельную картинку до размера примерно 20 кб.
Motion Wavelets
Этот кодек появился сравнительно недавно, он основан на теории вейвлет-функций («маленьких всплесков») и разработан специально для охранного телевидения. Каждый кадр видео можно описать всплесками и спадами цвета и яркости в определенной точке и в определенный момент времени. Вейвлет-кодирование – это, образно говоря, разложение картинки на вейвлеты, а декодирование – собирание изображения из них.
На диаграмме мы видим сравнение двух кодеков - Motion Wavelets и DivX-5 Pro, в основе которого – модифицированный алгоритм компрессии MPEG-4, т.е. по сути мы сравниваем именно эти два кодека по отношению сигнал / шум. Сравнение проводилось путем сжатия одного и того же динамического видеофрагмента до 3-х файлов одного размера каждым кодеком (сильное, среднее и слабое сжатие). Далее файлы декодировались и оценивались с помощью программы PSNR Checker.
Вывод таков – при одинаковой степени сжатия Motion Wavelets меньше искажает сигнал. А если сжать обеими кодеками видео до одной степени искажения (одинаковое качество видео), то степень компрессии кодеком Motion Wavelets по сравнению с MPEG-4 выше примерно в 1,7 раза. Возможно, вскоре этот кодек будет поддерживать большинство сетевого оборудования.
Широко известные открытые мировые стандарты передачи данных, то есть по сути совместимости сетевого оборудования ONVIF и RTSP обеспечивают поддержку кодеков H.264, MPEG-4 и MJPEG. Поэтому если в спецификации к устройству указано, что оно соответствует ONVIF или RTSP (или не менее популярному стандарту PSIA), можно с большой вероятностью утверждать, что это устройство будет совместимо с другим устройством, поддерживающим этот же стандарт.
Некоторые производители разрабатывают свои кодеки, и они могут быть в чем-то лучше, чем общеизвестные H.264, MPEG-4 и MJPEG. К сожалению, тут есть большое НО, и называется оно «несовместимость с оборудованием других производителей». Встроив в оборудование малоизвестный стандарт кодировки сигнала, производитель тем самым резко сужает сферу применения такого оборудования.
Именно поэтому большинство производителей оборудования для охранного видеонаблюдения «встраивают» в него широко распространенные кодеки H.264, MPEG-4 и MJPEG. Иногда поддерживается только один из этих стандартов, чаще - два или три.
С одной стороны, это хорошо, т.к. оборудование с поддержкой мировых стандартов кодирования более универсально. С другой… МВД России наложило запрет на использование потоковых кодеков в системах видеонаблюдения, устанавливаемых в государственных учреждениях. Да и в судах при предоставлении доказательств нужен так называемый стоп-кадр, который можно получить только с помощью покадрового MJPEG.
Как к этому относиться? Первая ли это «ласточка» от МВД? Cui prodest? Замешаны ли тут чьи-то интересы… как это часто бывает в нашей стране? И будет ли запрет на потоковые кодеки со временем распространен не только на госструктуры? Или весы качнутся в обратную сторону и запрет на H.264 и MPEG-4 будет отменен?
Ответа на эти вопросы нет. Время покажет… А пока – производители профессиональных камер для видеонаблюдения с гордостью пишут на упаковке «поддерживаются кодеки H.264, MPEG-4 и MJPEG». Они – пишут, мы – покупаем и устанавливаем… И все мы ждем появления идеального кодека, способного быстро и покадрово сжать сигнал до минимального размера, не требуя при этом больших вычислительных ресурсов и не портя картинку.
Автор статьи:
Андрей Васильев - директор по развитию бизнеса компании "ТД Видеоглаз".
