9743 
В чем проблема? Уменьшение потока с IP-камеры позволит снизить аппаратные требования ко всей системе наблюдения. Однако простые решения в этом вопросе неизменно приведут к потере качества: пострадает или разрешение, или количество кадров.
Что делать? Существует несколько способов решить проблему. Однако прежде чем приступать к этому, важно разобраться, из чего состоит видеопоток и как с ним правильно работать.
Из этого матери ала вы узнаете:
Структура видеопотока IP-камеры
В настоящее время уже практически невозможно найти аналоговые системы видеонаблюдения – вся подобная техника перешла исключительно на «цифру», для более эффективного архивирования и передачи информации применяются специализированные алгоритмы и программное обеспечение.
Что же такое видеоряд с позиции современных технологий? Его можно сравнить с раскадровкой на пленке в кино. Это простая последовательность статичных изображений, сменяющих друг друга с крайне малым временным интервалом. И эти изображения-кадры состоят из большого количества пикселей:
- Pixel (пиксель) – это точка, то есть минимальный элемент кадра, который обладает способностью изменять цвет в зависимости от подаваемого на него напряжения (правда, в последнем случае правильнее говорить о разности потенциалов). Набор пикселей различного цвета в итоге и формирует содержательную картинку.
- Кадр представляет собой набор пикселей, количество которых равно размерности матрицы. Наиболее распространенными в настоящее время являются матрицы следующих размеров: 2560x1920 (качество – 5 Mpix) и более; 1920x1080 (качество – Full HD); 1280x720 (качество – HD); 2688x1520 (качество – 4 Mpix).
- Под частотой кадров подразумевают скорость их смены при записи или воспроизведении. Это функция времени. Чаще всего частота составляет 25 кадров в секунду, так как в данном случае человек воспринимает формируемое изображение как плавное и беспрерывное. Но бывают камеры и с большей частотой (например, в 1 млн. кадров в секунду).
- Битрейт представляет собой объем информации в битах, которая соответствует формируемому видео за единицу времени. Как следствие, измеряется битрейт в битах в секунду. Для систем видеонаблюдения используются как постоянные, так и переменные битрейты. Кроме того, здесь большое значение имеет технология сжатия формируемого потока данных.
При постоянном битрейте объем памяти остается неизменным (как следствие, может страдать качество съемки). Если битрейт переменный, то кодек (электронный блок управления камерой) самостоятельно оценивает и выбирает его значение, отталкиваясь от требуемых параметров качества съемки.
- I-кадры (опорные, ключевые) содержат исчерпывающую информацию о текущем видеоряде. Модерируются кодеком отдельно от других эпизодов. Между ними располагаются так называемые p-кадры (разностные), которые содержат только изменения изображений в I-кадрах.
- B-кадры (двунаправленные, обратные) содержат данные на один или несколько кадров, которые предшествуют текущим или следуют за ними.
Раскодировать изображение из B-кадра не получится до тех пор, пока система не получит P-кадр. Этим и обуславливается задержка в отображении видеоряда с IP-камеры (к примеру, в случае применения алгоритма сжатия H.264).
Виды потоков IP-камер
Главный принцип идеи – разделение потоков видео с записывающих устройств на два типа – основной и дополнительный (так называемый подпоток). Первый обеспечивает наилучшее качество картинки, а второй занимается решением двух основных задач:
- снижает нагрузку на процессор при выводе картинки на экран, уменьшая разрешение и частоту;
- сокращает нагрузку на канал трансляции данных при удаленном воспроизведении.
В случае с дополнительным потоком не так важно, какие выставляются параметры разрешения и скорости. Главное – это битрейт. Он размещен немного ниже основного потока, что достигается благодаря уменьшению детализации изображения.
Однако когда дело доходит до оценки общей ситуации (например, имело место на кадре какое-то движение или нет), то детали становятся неважны. Они понадобятся при более тщательном разборе события, когда будут исследоваться не несколько потоков, а только один. При этом пропускной способности обычно хватает для отсматривания основного потока в хорошем качестве.
Сегодня практически все производители видеорегистраторов, цифровых IP-камер и видеосерверов предусматривают такую двухпотоковую технологию обработки изображения.
Несмотря на то, что сегодня практически все программы для видеорегистрации, а также для большинства IP-камер предусматривают возможность обработки сразу нескольких потоков, у многих пользователей возникает по этому поводу ряд затруднений. Они не понимают, куда направлять эти потоки.
Параметры каждого потока можно достаточно легко настроить. Если разобраться с настройками, можно подобрать оптимальный уровень производительности видеофиксации, которая будет полностью соответствовать ожиданиям и представлениям об адекватной стоимости за ее использование. Пожалуй, суть этого утверждения нужно пояснить.
Попробуем настроить видеопотоки с камер так: первый поток пусть записывает видеоряд в архив, второй поток «подается» на рабочее место оператора, а третий будет предназначен для отслеживания ситуации с мобильных устройств заинтересованных пользователей (по сравнению с остальными, у данного потока должна быть самая низкая разрешающая способность).
Задав наибольшее разрешение и частоту для каждой задачи, мы автоматически сформируем громадный архив, который способен перегрузить сервер и/или удаленное рабочее место.
Если же адекватно настроить видеопотоки с камер, то результат будет иным: нагрузка значительно снизится, конфигурация оптимизируется, да и стоимость требуемого стационарного оборудования системы окажется существенно ниже.
Сразу оговоримся, что не все камеры справляются с многократным считыванием и необходимым разрешением для второго и третьего потоков. Так, типичная линейка камер AXIS дает возможность работать с несколькими потоками в качестве Full HD одновременно с максимальной частотой 25–30 кадров в секунду, тогда как младшая линейка может выдавать в высоком разрешении только одиночный поток. При этом следующий поток уже будет иметь разрешение 640x480.
Многое зависит от мощности управляющего процессора. На эту характеристику следует обратить внимание уже на этапе составления проекта видеосистемы. Просчетов при разработке можно избежать, лишь пригласив для реализации проекта квалифицированного специалиста.
Как правило, у тех, кто предполагает подать видеоряд на терминал оператора, возникают опасения относительно параллельного потока. Они считают, что расширенные настройки потоковой передачи не могут обеспечить качество видеоматериала, и для этого лучше использовать первый поток или второй с повышенным разрешением.
На самом деле в этом нет никакой необходимости – качество такого видеоряда на мониторе будет вполне удовлетворительным, а за счет пониженного разрешения можно снизить нагрузку на локальную сеть и существенно сэкономить ресурсы компьютера. Однако это весьма сложно объяснить человеку, покупающему 3-мегапиксельную видеокамеру и желающему увидеть четкую картинку, а не отсматривать видеоматериал в разрешении 640х480.
Необоснованный страх – это результат непонимания специфики софта. Второй поток с более низким разрешением 640x480 выводится на монитор только при отображении видеоданных в нескольких кадрах. Его параметры не превышают перечисленных выше.
Если оператор развернет видео на весь экран, система задействует основной поток в полном разрешении. Потоки заменятся мгновенно, и видео в полноэкранном формате не ухудшится с точки зрения четкости.
Алгоритмы сжатия потока с IP-камеры
Требования к качеству видеокартинки постоянно растут, а пропускная способность каналов и емкость запоминающих устройств не успевают за ростом трафика. Очевидно, что без применения эффективных алгоритмов криптования (и их перманентной эволюции) системы видеофиксации стоили бы на порядок дороже, чем сейчас.
Стандарт H.264
Сегодня стандарт сжатия H.264 (Advanced Video Coding (AVC)) уже давно доминирует в системах видеонаблюдения. Использование этого алгоритма заключается в удалении избыточных данных и уменьшении их размера. При кодировании используются три основных профиля кодека H.264:
- Профиль Baseline обеспечивает наименьшую нагрузку на процессор декодера и не осуществляет сильного сжатия. Как правило, он выбирается при необходимости записи видеопотока на устройство в недозагруженных локальных сетях.
- Main-профиль характеризуется средним уровнем нагрузки на процессор, но при этом уже довольно сильно сжимает поток. Как правило, данный профиль выставляется в подавляющем большинстве регистраторов по умолчанию.
- High-профиль обеспечивает самое сильное сжатие потока, на декодер при этом приходится сильнейшая нагрузка. Битрейт здесь будет в разы меньше, чем, например, в случае применения Baseline-профиля.
Стандарт H.264+
Алгоритм H.264 – это механизм сжатия, созданный исключительно для применения в системах видеоконтроля. Это модифицированный кодек H.264 (AVC), который был оптимизирован под стандартные цели систем видеонаблюдения с учетом всех их требований и особенностей.
В видеопотоке с камер наблюдения сцена и «декорации», как правило, не меняются. Движущиеся предметы и фигуры длительное время могут отсутствовать, а шумы в условиях плохого освещения ухудшают и восприятие изображения. В обновленном стандарте H.264 все эти особенности качества съемки учитываются. Как следствие, видеоряд проходит эффективную обработку.
При применении H.264 для сохранения качества все движущиеся объекты кодируются совместно со статическим фоном. H.264 эффективно отделяет задний план от передвигающегося объекта и производит его кодировку с высоким сжатием. Этот алгоритм дает возможность подавлять шум, отделяя его от основной среды, и снижать битрейт.
При подавлении фонового шума битрейт видео зависит от размера этой части изображения. К примеру, при проведении съемки в дневных условиях фон – это весьма малая часть картинки, потому что в кадре одновременно движется много фигур и предметов. При этом значительно увеличивается битрейт. Ночью же этот показатель снижается, потому что объектов в движении становится меньше.
Формат H.264 предусматривает алгоритмы контроля интенсивности потоков видеорядов и автоматически меняет степень сжатия в зависимости от того или иного времени суток. Данная технология дает возможность уменьшать размер архива, а также поддерживать качество изображения перемещающихся объектов.
Стандарт H.265
Данный алгоритм (High Efficiency Video Coding (HEVC)) является важным этапом эволюции в области кодирования видеоряда. Суть HEVC в том, чтобы обеспечивать идентичный уровень качества картинки, что и AVC, но с лучшей степенью сжатия, поэтому видеофайл, сжатый при помощи данного алгоритма, будет «весить» в два раза меньше.
То есть с новым алгоритмом передача сигнала потребует лишь половину пропускной способности сети. Что же касается хранения, то здесь также понадобится вдвое меньше места. Это позволяет гораздо более эффективно использовать оборудование.
Современные кодеки осуществляют просмотр сразу нескольких кадров единовременно, вне зависимости от того, что на них запечатлено. Параллельное кодирование, которое обеспечивает H.265 позволяет обрабатывать различные части кадра в один момент времени. Это сильно ускоряет воспроизведение видеоряда и позволяет максимально эффективно использовать все возможности современных процессоров.
В данном стандарте принята технология произвольного доступа к изображениям (Pure Random Access). Система декодирует любой рандомно выбранный кадр без обработки предыдущих изображений в потоке. Это снижает длительность задержки при потоковой передаче данных с IP-камеры.
5 способов уменьшения потока с IP-камеры
VBR
Включите CBR. В данном режиме установите скорость потока. Теперь, что бы ни происходило перед камерами, поток будет иметь одинаковую плотность. Однако надо понимать, что чудес не бывает, чем-то жертвовать придется. И тут есть два варианта: либо ухудшается качество каждого кадра, либо сокращается частота. Режим VBR предполагает, что поток будет меняться в зависимости от изменения качества картинки в поле зрения камеры.
Технология дополнительного сжатия
Слышали ли вы когда-нибудь о передовых технологиях сжатия? Например, о Zipstream iStream, H.264 и прочих. Уменьшение потока с IP-камер в данном случае получается за счет того, что статические области изображения получают более высокие уровни сжатия. У некоторых производителей софта до сих пор присутствует возможность управлять периодом ключевого (опорного) кадра. Эффективность же дополнительного сжатия находится в прямой зависимости от снимаемой картинки. Таким образом, поток для камер может уменьшиться в несколько раз.
Отрегулировать FPS для каждой камеры
Динамический контроль PS однозначно хорош. Но он есть пока только у отдельных производителей камер видеонаблюдения. Никто не препятствует ограничению наибольшего значения частоты каким-то разумным значением. Что под этим подразумевается?
Дело в том, что живое видеоизображение не нужно для абсолютного большинства задач наблюдения. Наиболее востребованная частота – 15, 10 и даже 4 кадра в секунду. Если же настроить FPS для каждого устройства в отдельности, то поток с IP-камеры можно уменьшить без ущерба для производительности и получаемого качества изображения.
Для улицы хорошие камеры + дополнительное освещение
Речь идет о максимальном трафике с камер ночью. Это происходит из-за шумовых сигналов в матрице, которые тоже надо кодировать.
Чем лучше камера, тем, как правило, большую размерность имеет матрица, более качественный у нее объектив, меньшее количество шумов и, как следствие, слабее стриминг (плотность потока).
Поэтому для уличных съемок нужно выбирать камеры с высоким расширением, с дополнительным освещением. Объем архива при этом тоже сократится, что позволит частично окупить перерасход средств за более качественную видеотехнику.
ИК-режим
Не всегда складывается такая ситуация, что можно добавить необходимое освещение. Выходом является применение ИК-режима. Черно-белые изображения имеют низкий поток. К тому же камера в ИК-спектре имеет большую чувствительность. Это обеспечивает пониженный уровень шумов и меньший трафик.
Используя на практике хотя бы один из вышеперечисленных способов оптимизации изображения, вы получите значительное снижение трафика с IP-камер, а значит, просто уменьшите поток в несколько раз.
