Porady

RODZAJE KOMPRESJI W SYSTEMACH CCTV

Systemy CCTV - rodzaje kompresji
Ocena:

Kontakt

Co to jest kompresja wideo?

Kompresja jest to zmniejszenie liczby bitów potrzebnych do wyrażenia danej informacji. Informacją w systemach CCTV jest obraz pochodzący z kamery a więc mowa tutaj o kompresji wideo. W dużym uproszeniu kompresja wideo pozwala zapisać obraz video na dysku rejestratora w taki sposób, aby zajmował on jak najmniej miejsca. Dzięki zastosowaniu kompresji zyskujemy dłuższy czas zapisu nagrań co stanowi największą korzyść dla właścicieli systemów telewizji dozorowej.

W jaki sposób się to odbywa? Samo wytłumaczenie działania kompresji mogłoby zająć kilka stron dlatego skupimy się tylko na ogólnej zasadzie działania najczęściej spotykanych metod kompresji video a mianowicie H.264 oraz H.265.

Wyżej wymienione metody kompresji pozwalają zapisywać informacje tylko o zmianach jakie występują na obserwowanej scenie. Dzięki temu nie ma potrzeby zapisywania każdorazowo całego obrazu. W przypadku zapisu obrazu z prędkością 25kl/s musielibyśmy zapisywać każdą ramkę oddzielnie. Przy zastosowaniu kompresji między-klatkowej pełna informacja o obrazie (ramka kluczowa) jest zapisywana co np. 50 klatek a więc co 2s (bo 25kl/s). Natomiast wszystkie ramki, które występują pomiędzy ramkami kluczowymi zawierają tylko informacje o zmianach (np. obiektach poruszających się). Cały taki cykl nazywa się GOP, czyli „Group Of Pictures”.

Group Of Pictures

 

Na rysunku możemy zauważyć, że występuje kilka rodzajów ramek: I-Frame, B-Frame, P-Frame.

Najprościej mówiąc: I-Frame to ramka, która zapisuje pełną informację o obrazie. P-Frame zapisuje informacje tylko o zmianach jakie występują na scenie a B-Frame upłynnia ruch, aby obraz był odtwarzany płynnie. Ciekawą informacją jest to, że ramki B-Frame oraz P-Frame są ściśle powiązane z pozostałymi a generowany przez nie obraz powstaje na podstawie wszystkich zależności. Cały cykl GOP to właśnie odstęp pomiędzy kolejną klatką kluczową (I-Frame) i właśnie ten parametr jest dostępny w ustawieniach rejestratora lub kamery IP. Nie jest to jedyny parametr, który wpływa bezpośrednio na stopień kompresji. W kolejnych akapitach omówimy inne, również istotne parametry.

Przepływność

W ostatnich latach można było zauważyć znaczący wzrost rozdzielczości dostępnych w branży CCTV. Mowa tu o zyskującej coraz większą popularność rozdzielczości 4K UHD (Ultra HD), która jest 4-krotnie większa od ciągle jeszcze najpopularniejszej rozdzielczości FHD (Full HD).
Na poniższym rysunku przedstawiono rozdzielczości jakie możemy spotkać podczas wyboru kamer:

rozdzielczości w CCTV
rozdzielczości w CCTV

Stosowanie wyższych rozdzielczości daje nam dużo korzyści – większa rozdzielczość to więcej informacji jakie możemy odczytać z zarejestrowanego obrazu. Niestety więcej informacji to też więcej danych, które musimy gdzieś zapisać. Wniosek nasuwa się sam – im większa rozdzielczość tym więcej miejsca zajmuje nagranie a więc skraca się czas zapisu na dysku. Jak sobie z tym poradzić? Można zwiększyć pojemność dysku twardego co wiąże się z dodatkowymi kosztami. Ale czy to jedyne rozwiązanie? Na szczęście nie.

Parametrem, który decyduje o ilości danych jakie przeznaczymy na zapis wideo jest „bitrate”. Inaczej mówiąc jest to przepływność, czyli miara chwilowego natężenia strumienia danych wyrażana w bitach na sekundę (b/s). Wartość przepływności daje nam informację ile danych zapisujemy w czasie 1s.

Wartość przepływności wpływa również na obciążenie naszego łącza internetowego podczas zdalnego podglądu.

Bitrate ściśle zależy od metody kompresji, rozdzielczości, liczby klatek oraz tego co obserwuje nasza kamera. Co najważniejsze ten parametr możemy dowolnie modyfikować a więc warto wiedzieć co on dokładnie oznacza.
Dla przykładu użyjemy kamery o parametrach:
Rozdzielczość:                FHD (1920×1080)
Liczba klatek:                 25kl/s
Metoda kompresji:         H.264
Obserwowana scena:   Średnie natężenie ruchu

Dla wyżej wymienionych parametrów wartość przepływności (inaczej bitrate) ustawiamy na 4096 Kb/s – jest to zalecana wartość.
Mówiąc prościej kamera o podanych wyżej parametrach będzie generować strumień danych, który w ciągu jednej sekundy zajmie 4096 Kb. Na podstawie przepływności możemy obliczyć ile miejsca na dysku będzie zajmować 1 dzień ciągłego nagrywania.
Pierwsze co musimy zrobić to zmienić jednostkę z bitów (b) na bajty (B) pamiętając, że 1B (bajt) = 8b (bitów), a więc:
obliczenia-3 Mamy już odpowiednią jednostkę, przejdźmy zatem do dalszych obliczeń:
obliczenia-1

Wartość wyrażona w kilobajtach jest bardzo duża a więc zmienimy ją na gigabajt, pamiętając, że 1MB = 1024 KB:

obliczenia-2

W taki prosty sposób znając jeden parametr, czyli bitrate jesteśmy w stanie obliczyć zajętość danego kanału wizyjnego np. w ciągu jednej doby. Tutaj prezentowana kamera zajmuje 42 GB pamięci w ciągu jednej doby.

Podane wyżej obliczenia dotyczą tylko przepływności stałej CBR (Constant Bit Rate). W rejestratorach dostępna jest również zmienna przepływność VBR (Variable Bit Rate), która dostosowuje się dynamicznie. W przypadku tej drugiej rzeczywista wartość przepływności oscyluje wokół wcześniej zadanej wartości a więc zmierzenie zajętości materiału wideo na dysku już nie jest takie dokładne.

Metody kompresji wideo

Wiemy już co to jest przepływność oraz co ona oznacza. Wiemy również, że im mniejsza jej wartość tym mniej miejsca na dysku zajmie nasz materiał. Teraz możemy przejść do rodzajów kompresji i porównać je ze sobą właśnie za pomocą przepływności.

Na początek należy wymienić dostępne metody kompresji jakie możemy spotkać w systemach CCTV:

• MJPEG
• H.264 (AVC)
• H.265 (HEVC)

Kompresja MJPEG nie posiada kodowania między-klatkowego więc zapisuje każdą klatkę oddzielnie jako obraz skompresowany. W porównaniu z innymi metodami jest całkowicie nieopłacalna więc nie będziemy już o niej wspominać w dalszej części.

H.264 dostępne jest od ponad 10 lat. W tym czasie nastąpił znaczny wzrost rozdzielczości jakie stosujemy w systemach telewizji dozorowej – zaczynając od tradycyjnej telewizji analogowej o rozdzielczości mniejszej niż jeden megapiksel a kończąc na kilkunastu megapikselach. Czy na tym koniec? Zapewne nie.

Algorytmy stosowane w kompresji obrazu również są ciągle udoskonalane i tu właśnie pojawia się nowy rodzaj kompresji H.265, który można spotkać w prawie każdym nowym urządzeniu zapisującym strumień wideo.

Kompresja H.265 wprowadza szereg zmian i udoskonaleń w stosunku do H.264. Korzyści jakie za sobą niesie to zredukowanie przepływności o ok. 50% w stosunku do kompresji H.264 przy tych samych parametrach obrazu.

Jak to wygląda w praktyce?

h-265-vs-h-264

Kodeki typu SMART

W branży CCTV spotkać możemy również inteligentne wersje standardowych kompresji H.264 lub H.265.
Są one odpowiednio oznaczone:

• H.264+ (Smart H.264)
• H.265+ (Smart H.265)

Stosowanie inteligentnego kodowania w kamerach stacjonarnych ma uzasadnienie, ponieważ obserwowana przez nie scena przez większość czasu jest niezmienna.
W kompresji typu SMART zastosowano między innymi następujące algorytmy:
Zaawansowana kontrola przepływności
Dynamiczny ROI – Algorytm pozwalający skupiać kompresję głównie na obiektach poruszających się a nie na całej scenie.
Dynamiczny GOP – Odstęp pomiędzy klatką kluczową jest dostosowany automatycznie.
Redukcja szumów – Usuwanie szumów, która powodują znaczny wzrost przepływności w warunkach nocnych.

Zastosowanie powyższych algorytmów pozwala zredukować przepływność o ok. 75% w stosunku do standardowej wersji H.264.

Którą metodę kompresji wybrać?

Poniższy rysunek powinien rozwiać wszelkie wątpliwości:

porownanie-kompresji

Zgodnie z powyższym najlepszym rozwiązaniem będzie wybranie najlepszej dostępnej w naszym sprzęcie kompresji.

W przypadku zakupu nowego sprzętu warto zwrócić uwagę czy dostępna jest obsługa H.265, która spowoduje, że czas zapisu na dysku zwiększy się nawet 2-krotnie. Jeśli urządzenia wspierają inteligentną kompresję H.265+ możemy zyskać jeszcze więcej.

W przypadku systemów IP zarówno kamera jak i rejestrator muszą wspierać kompresję H.265 lub H.265+.
W urządzeniach analogowych (CVBS, AHD, HD-CVI, HD-TVI) tylko rejestrator musi wspierać daną kompresję.

Powiązane produkty

Kamera kompaktowa BCS-BIP7201A-III

BCS-BIP7201A-III Kamera megapikselowa 2Mpx, WDR, SD

  • Przetwornik obrazu: 1/2.8” PS CMOS
  • Max. rozdzielczość: 1920 x 1080 (2 Mpx)
  • Mocowanie obiektywu: C / CS
  • Kompresja obrazu: H.265 / H.264
  • Interfejs Ethernet: RJ-45 (10 / 100 Base-T)
  • Lokalne nagrywanie (karta SD): TAK, max. 128 GB
  • Zasilanie: 12V DC, 24V AC, PoE 802.3af
Zobacz w sklepie