Вы находитесь в разделе Типовых решений систем безопасности
Покоренные видеопотоки. видеокомпрессия mpeg-4 и ее применение в сетевом видеонаблюденииВ течение последних лет в сетевом видеонаблюдении и других приложениях цифрового ТВ резко возросли требования к эффективности использования существующей полосы пропускания транспортной среды. Для этого есть несколько причин:
Это привело к внедрению в охранное ТВ различных способов оптического мультиплексирования и цифрового сжатия видеопотока . Ниже рассматриваются особенности компрессии видеосигналов в стандарте MPEG-4 и реализация на его основе сетевых кодеков с волоконно-оптическим выходом.Основные положения цифровой компрессии видеосигналов Определим понятия стандарта и кодека видеосигнала. Стандарт описывает группу технических приемов, которые могут использоваться при сжатии (например, кодирование с предсказанием, компенсация движения), и допустимые параметры цифрового потока (разрешение, битрейт, частота кадров и т.д.). По мере совершенствования методик сжатия, увеличения быстродействия компьютеров и возможностей аппаратных средств вынужден развиваться и стандарт. Кодек — это аппаратный или программный метод преобразования информации, позволяющий на выходе получить цифровой поток, соответствующий стандарту. Кодеки, в свою очередь, делятся на кодеки с покадровым сжатием и кодеки с межкадровым сжатием. В кодеках с покадровым сжатием каждый кадр записывается как отдельная фотография. К таким кодекам относятся кодеки группы MJPEG (Motion JPEG), широко используемые в цифровых рекордерах видеосигналов. К кодекам с межкадровым сжатием, в первую очередь, относятся кодеки стандартов MPEG. В кодеках с межкадровым сжатием только часть кадров (так называемые I-frame или ключевые кадры) содержит полную информацию об изображении. Остальные кадры (промежуточные кадры, P-frame) содержат только отличия этого кадра от предыдущего. Иногда применяют двунаправленные кадры (B-frame), информация в которых кодируется на основании предыдущего и последующего кадров, что по¬зволяет дополнительно повысить степень сжатия видео. Последовательность между двумя ключевыми кадрами называется группой кадров (GOP, Group Of Pictures). Межкадровое сжатие позволяет дополнительно сократить битрейт в несколько раз при сохранении качества. Особенностью кодеков с межкадровым сжатием является зависимость битрейта или качества видео от динамичностисцены. Например, при кодировании с постоянным битрейтом (CBR, Constant Bit Rate) статичные сцены, где соседние кадры мало отличаются друг от друга, будут смотреться лучше, чем динамичные. При кодировании с переменным битрейтом (VBR, Variable Bit Rate) кодек будет автоматически увеличивать битрейт на динамичных сценах, чтобы обеспечить примерно одинаковое качество изображения для статичных и подвижных объектов. Процесс разработки стандартов компрессии видеосигналов идет под руководством двух организаций — ISO (International Standards Organization) и ITU (International Telecommunications Union). Большинство этих стандартов базируется на документах H.261 и Н.263, разработанных ITU около десяти лет тому назад. Параллельно с этими работами группа экспертов ISO Motion Picture Experts Group (MPEG) представила стандарт MPEG-1, предназначенный для использования в сфере персональных компьютеров и компакт-дисков (скорость передачи данных — до 1,5 Мбит/c). Следующий за ним стандарт MPEG-2 предназначен для сферы вещания, в которой применяются изображения высокого разрешения и скорость одного видео¬потока достигает 10 Мбит/с. В дополнение к кодированию видеостандарт MPEG-2 включает в себя кодирование звука и транспортный уровень для передачи нескольких программ и является основным для вещательного телевидения. Высокое качество изображения обуславливает использование MPEG-2 в охранном телевидении для решений класса hi-end. Стандарт сжатия MPEG-2 основан на удалении избыточной информации. Для этого используются такие процессы, как дискретно-косинусное преобразование (DCT), предсказание движения, квантизация и статистическое кодирование . Уменьшение скорости потока при сохранении высокого качества видео обеспечивают и дополнительные технологии — предварительная обработка, шумопонижение и коррекция ошибок за счет предсказания и двойного прохода, а также последующая обработка. На рис. 1 показано, как кодер MPEG-2 использует технологию MPEG-2.  К настоящему времени стандарт MPEG-2 практически достиг своего предела в плане степени сжатия и не позволяет обеспечить качественную передачу видео на скоростях менее 1 Мбит/с. Поэтому возникла необходимость разработки более эффективных, чем MPEG-2, алгоритмов компрессии. Та же группа экспертов ISO разработала новый стандарт — MPEG-4, первая версия которого была готова уже в октябре 1998 года, а через год вышла его знаменитая вторая версия, вскоре ставшая международным стандартом. Добиться такого результата удалось за счет принципиально иного, так называемого объектно-ориентированного метода компрессии. К тому времени стало ясно, что традиционные методы устранения информационной избыточности себя исчерпали, поэтому был предложен оригинальный алгоритм:
Таким образом, за счет применения более изощренных алгоритмов кодирования и организации информационных потоков по иерархическому принципу в MPEG-4 обеспечивается более чем двукратное повышение эффективности сжатия, по сравнению с MPEG-2. Первоначально MPEG-4 разрабатывался как формат для передачи мультимедийного контента по узкополосным линиям связи. Поэтому основным профилем MPEG-4 для видео был простой профиль SP (Simple Profile), предназначенный для работы с разрешением до 352х288 пикселей при битрейте до 384 кбит/с (15 кадров в секунду). Однако в процессе работы выяснилось, что этот алгоритм прекрасно работает и с видеосигналами, имеющими разрешение 720х576 пикселей, требуя при этом в 2–3 раза меньших скоростей, чем MPEG- Поэтому в 2002 году был принят расширенный стандарт MPEG-4, названный Advanced Simple Profile (то есть простой, но продвинутый»). Теперь MPEG-4 мог работать со стандартными видеосигналами, имеющими скорость до 8 Мбит/с, в устройст¬вах с высоким качеством изображения. Однако официальное включение спецификации MPEG-4 в базовый стандарт ITU-T-H.264 произошло только через год. MPEG-4 стандарт может быть использован для достижения разных целей и включает в себя различные инструменты кодирования. Например, для создания потокового видео с очень низким битрейтом требуются инструменты, отличные от тех, которые используются при кодировании видеосигнала с DVD-качеством. Чтобы обеспечить эти потребности, стандарт MPEG-4 определяет множество различных профилей и уровней (Profiles and Levels). Каждый профиль или уровень — это уровень совместимости, обеспечивающий слаженную работу продуктов, ему соответствующих. Эти уровни стандартизуют не только инструменты, которые могут быть использованы при кодировании, но и задают видеопараметры: ограничение битрейта, размер изображения, частоту смены кадров и т.д. Наибольший интерес для охранного ТВ представляют следующие профили MPEG-4:
Продвинутый простой профиль с уровнем 5 (ASP@L допускает размер изображения до 720x576 пикселей, обеспечивает 30 кадров в секунду и предлагает такие инструменты, как B-Frames (B-VOPS), Quarter Pixel Motion Search Precision (QPEL), Global Motion Compensation (GMC) и MPEG/Custom Quantization, недоступные в SP. Самые важные инструменты, доступные в ASP (не могут использоваться в SP):
 AVC/H.264 — это часть MPEG-4 стандарта, определяющая один из самых современных и технически совершенных форматов видеокодирования. AVC/H.264 определяет три разных профиля — базовый, основной и расширенный, из которых только основной поддерживает чересстрочное изображение и предлагает I-, P- и B-кадры. Наиболее важные отличия MPEG-4 AVC становятся понятными при детальном рассмотрении его основных инструментов. Во-первых, подчеркнем переменные размеры блока (Variable Block Sizes). 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. На рис. 2 показана адаптивная структура макроблоков при кодировании по стандарту MPEG-4 AVC. Изменилась и улучшилась структура традиционного макроблока: теперь применяется гибкое адаптивное кодирование. В стандарте нашли применение улучшенные технологии предсказания движения, что позволяет, в отличие от ASP, использовать кадры с многократной ссылкой (Multiple Reference Frames) — кодек при обработке изображения может опираться как на предыдущий кадр, так и на кадр, стоящий еще раньше (рис. .  Добавлена также встроенная Loop-фильтрация — в отличие от предфильтрации или постобработки, она применяется для каждого кадра, после того как он был скодирован, но до того как он будет использован для кодирования последующих кадров. Это помогает избежать артефактов, особенно при низких битрейтах. Подчеркнем, что инструменты MPEG-4 AVC требуют повышенных вычислительных ресурсов при реализации того или иного кодека, работающего в данном стандарте. Это приводит на практике к увеличению времени кодирования и декодирования. MPEG-4 кодеки компании Teleste Линейка оборудования MP-X финской компании Teleste для передачи видеосигналов по IP-сетям базируется на компрессии MPEG-4 и оптических методах передачи информации. Одна из основных целей при разработке этой аппаратуры — обеспечение минимальной стоимости одного сетевого видеоканала в форм-факторе, обеспечивающем гибкость, масштабируемость и простоту модернизации. Оборудование обеспечивает совместную работу с набором программных кодеков FFdshow, имеющим открытые исходные тексты. Это позволяет легко интегрировать блоки МР-Х с аппаратно-программными средствами других производителей при решении задач биометрии, распределенной цифровой видеозаписи, удаленного мониторинга и т.д.  Кроме того, вся линейка поддерживает протокол SNMP, обеспечивающий управление блоками и инструментами сетевого администрирования. В состав линейки входят двухканальные кодеры MPC-Е2, поддерживающие только SP-профиль, восьмиканальные кодеры МРХ-Е8, поддерживающие SP- и ASP-профиль, а также восьмиканальный декодер MPX-D8, также поддерживающий SP- и ASP-профиль. Все оборудование, помимо передачи видеоинформации, поддерживает двунаправленную передачу одного стереоаудиосигнала и нескольких каналов RS-данных. В зависимости от модификации, блоки имеют многомодовый или одномодовый Ethernet-выход, обеспечивающий дальность передачи от 2 до 100 км. Поддерживаемое разрешение — 176х144 (QCIF), 352x288 (CIF), 704x288 (2CIF), 704x576 (4CIF) и 720х576 (PAL D при частоте кадров от 1 до 25 кадров в секунду и битрейте от 9,6 кбит/c до 4 Мбит/с. Аппаратные ресурсы процессора МР-Х могут динамично перераспределяться между задачами, решаемыми блоком. Например, возможна организация четырех каналов с битрейтом 4–6 Мбит/, поддерживающих разрешение 4CIF. Если снизить требования к качеству передаваемого изображения до 2CIF, число каналов можно увеличить до 8 при одновременном снижении битрейта до 1–2 Мбит/c. На рис. 4 показано, как платформа МР-Х использует строительные блокипрофилей MPEG-4 для организации видеопотоков с различными характеристиками. При разработке кодека большое внимание было уделено достижению компромисса между задержкой (чем выше профиль и уровень MPEG-4, тем больше задержка на вычисления), ценой DSP-процессора и его тепловыделением. Эта задача была успешно решена, что обеспечило рекордно низкую задержку (менее 100 мс) при малой стоимости блока. Подчеркнем, что все кодеки МР-Х поддерживают протоколы RTP/UTP/IP, что обеспечивает их работу в режимах как одноабонентской, так и многоабонентской адресации в сетях TCP/IP. Это приводит к значительному снижению суммарного трафика при решении ряда прикладных задач. Например (рис. , один и тот же кодер может одновременно создавать от одной камеры два видеопотока с разным разрешением и битрейтом. Для задач мониторинга может быть использовано изображение с DVD-качеством при битрейте до 4 Мбит/c, а для регистрации — изображение с разрешением CIF или 2CIF с пониженной частотой кадров. При этом DVD-поток будет возникать в сети только в моменты непосредственного обращения оператора к конкретной ТВ-камере.  Читайте далее:  Мультисенсор - эффективное решение проблемы ложных срабатываний систем пожарной сигнализации Скудные возможности Современные условия использования вычислительных средств диктуют необходимость новых требований к их Макро-вирусы. инновационная технология защиты Как оценить уровень безопасности системного средства или необходимость комплексной сертификации сист Ip–революция ii Привет из 90-х гг. или нецивилизованные технологии конкурентной борьбы Возможности охранного телевидения ,попытка осмысления, Радиоволновые извещатели. выбор за инсталлятором Резкость изображения и оборудование cctv Световые системы оповещения о пожаре Профессиональные системы cvs с внешними матричными коммутаторами Комплексирование средств или решений? к вопросу об эффективности комплексной защиты информации ,част Комплексирование средств или решений? к вопросу об эффективности комплексной защиты информации ,част Система контроля доступа как надежный элемент системы безопасности
|
