Відео високої чіткості в масових системах відеонагляду

Алекс Свансон (Alex Swanson), керівник інженерно-конструкторського відділу компанії IndigoVision, розповідає про те, як новітні HD-відеокамери з малим розміром потоку даних сприяють масовому застосуванню HD в системах відеоспостереження. 

За останнє десятиліття в індустрії систем відеоспостереження стався зсув від аналогових систем до мережевим цифрових рішень. У найближчі кілька років галузь систем безпеки очікує період масового впровадження IP-камер високої чіткості (HD) - етап, який вже пройшла побутова електроніка.  
Але для повсюдного використання IP-камер стандарту HD в системах безпеки необхідно вирішити ряд питань, пов'язаних з великим обсягом переданих даних і системами їх зберігання. Одним з новітніх рішень таких проблем став випуск IP-камер стандарту HD, генеруючих малий розмір потоку даних.  Переваги IP-камер високої чіткості Всі переваги IP-камер високої чіткості озвучувалися вже багато разів, але, узагальнивши, можна вказати три основні області, значно виграють від впровадження таких рішень:  Загальне спостереження.  Одна мегапіксельна HD-камера може замінити кілька камер стандарту 4SIF, тим самим знижуючи вартість системи. Така камера може відображати більш детальну картинку в тому ж полі огляду або більш широке поле огляду при тому ж рівні деталізації.  Збір доказів.  Безліч існуючих аналогових систем відеоспостереження попросту не дають достатнього дозволу або якості для того, щоб відео могло служити доказом. Мегапіксельні камери вирішують безліч подібних питань якості / дозволу. Вони ідеально підходять для тих додатків, в яких системи використовуються для розпізнавання і реєстрації осіб, номерів на автомобілях або об'єктів. 


Дозвіл: SIF 4SIF HD

Цифрове збільшення і панорамний огляд картинки.  Мегапіксельні HD-камери швидше здійснюють цифрове збільшення картинки, яка відображається більш детально, ніж на аналогових камерах, і при цьому продовжують записувати всю картинку цілком для її подальшого аналізу. Такі функції забезпечують відмінну продуктивність, і вони більш надійні, ніж механічні поворотні камери з трансфокатором.  
Будь системи відеоспостереження можуть виграти від впровадження HD-технологій, але в даний час типовими галузями застосування IP-камер високої чіткості є магазини, банки, казино, автостоянки, входи в будівлі, військові об'єкти і вулиці міста.  Технологічні складності Для масового використання мегапіксельних камер стандарту HD необхідно подолати ряд існуючих технологічних складнощів.  1. Об'єктив. Для забезпечення максимальної якості картинки мегапіксельним камерам потрібні об'єктиви з більш високою роздільною здатністю в порівнянні з об'єктивами звичайних камер. Ці об'єктиви існують вже давно, але досить дороги, хоча ціна зменшиться з ростом обсягів при масовому застосуванні.  2. Матриця. У мегапіксельних камерах використовуються ті ж матриці CMOS, що і в цифрових фотокамерах, тоді як в аналогових камерах зазвичай використовуються ПЗС-матриці. Ситуація, ймовірно, зміниться з впровадженням матриць із HD-ТВ/відеоіндустріі. Більш висока щільність пікселів на матриці тих же розмірів означає, що на кожен піксель потрапляє менше світла. Таким чином, кожен піксель має меншу чутливість - йому буде потрібно більше світла, а «шум» матриці буде більш помітний, так як в сигналі він становитиме більш високий відсоток. Саме тому IP-камери високої чіткості першого покоління, як правило, володіли більш низькими світловими характеристиками в порівнянні з аналоговими камерами. Проте технології виробництва матриць швидко змінюються, адже в цій галузі концентрується значний дослідницький потенціал.  3. Стиснення відео. Це, можливо, найбільш важливий врахований фактор зважаючи на його впливу на пропускну здатність мережі і вимоги до системи зберігання даних. Мегапіксельні HD-камери навряд чи будуть використовуватися масово доти, поки не з'явиться достатньо моделей камер, що мають малий вихідний потік відеоданих. Зараз ми спостерігаємо початок такого процесу: з'явилися IP-камери високої чіткості з чудовим стисненням сигналу і, отже, зі значно меншими потоками переданих даних. 


Стиснення відео - масштаб проблеми 
Для забезпечення мінімально можливого потоку передачі даних необхідно використовувати в камерах технологію стиснення H.264

H.264 - це новітній стандарт видеокодека (компресор і декомпрессор), наступник успішних відеостандартів MPEG-2 та MPEG-4, що забезпечує як поліпшення якості , так і стиснення відео. Безліч сучасних одно-і двомегапіксельною камерою використовують стиснення MPEG-4, результатом чого є збільшення потоку відеоданих. Для масового використання стандарту HD в відеоспостереження із забезпеченням мінімально можливого потоку даних необхідно впроваджувати в камери технологію стиснення H.264. Разом з тим не всі реалізації стандарту H.264 забезпечують якісне стиск.  
Обсяги потоків даних у камер різних виробників значно варіюються, навіть при порівнянні камер, що використовують H.264. У таблиці нижче описуються типові потоки даних для одиночної одномегапіксельнимі камери, що відстежує такий досить статичний вид, як, наприклад, вхід в будівлю: 

Колосальний розрив у продуктивності істотно впливає на різницю у вартості HD-рішень для відеоспостереження.Використання камер з потоками даних до 1 Мбіт / с означає, що IP-камери високої чіткості можна використовувати в стандартних мережах і зі стандартними системами зберігання даних. Крім того, для щоденного застосування в системах відеоспостереження вони є ефективними і з точки зору витрат.  
Таким чином, системним інтеграторам і кінцевим користувачам дуже важливо точно знати обсяг переданих даних і вимоги до обсягу сховищ для окремих IP-камер високої чіткості для того, щоб повністю усвідомлювати одержувані характеристики і можливі витрати. Разом з тим у деяких випадках реальні генеруються камерами потоки даних настільки великі, що не дивно, що їх значення часто приховані і їх важко визначити. Розглянемо типове технічний опис 1,3-мегапіксельної камери одного з основних виробників. Там вказано, що підтримувана частота кадрів камери - до 30 кадрів / с. Проте ніде не згадується про те, наскільки добре відпрацьовує алгоритм стиснення - тобто не вказано типовий розмір потоку даних і необхідний для запису потоку з цієї камери обсяг сховища.  
Деякі виробники змушені використовувати локальні сховища через те, що потік даних з їх IP-камер високої чіткості такий, що його не можна штатно в реальному часі транслювати по мережі. Це дещо нівелює переваги розподіленої і масштабованої мережі IP-відео. Усунувши проблему з розміром потоку, інтегратори можуть зробити вибір на користь дійсно розподіленої архітектури, розмістивши сховище там, де воно мало б бути з точки зору раціонального проектування системи, будь то центральне розміщення, поблизу від камери, або відмовостійка конфігурація з резервуванням, що поєднує в собі обидва рішення.  Проектування IP-камери високої чіткості з малим потоком даних Таким чином, масове застосування відеоспостереження високої чіткості зав'язано на можливості розробки IP-камер HD-стандарту з малим потоком даних. Три основні складові такої камери:  1. Застосування камери, що використовує тільки IP-технологію.  2. Відмінна реалізація H.264.  3. Виділена апаратна архітектура.  Камери, що використовують тільки IP-технологію Камери, що використовують тільки IP-технологію, повністю усувають будь аналоговий сигнал, підключаючи цифровий процесор обробки сигналів, присутній у будь-яких аналогових камерах, безпосередньо до мікросхеми компресора. Таке рішення дозволяє виключити будь-які додаткові шуми в сигналі. 


Стиснення H.264
У сучасних IP-камерах високої чіткості використовуються три поширених стандарту стиснення відео: MJPEG, MPEG-4 і H.264.  
Стиснення відео проходить за допомогою двох типів кадрів:  
 I-кадри, також називаються індексними або ключовими кадрами, містять все зображення.  
 P-кадри, містять тільки інформацію про відмінності від попереднього кадру.  В MJPEG використовуються тільки I-кадри, а в MPEG-4 і H.264 використовується поєднання I-кадрів і P-кадрів, що, отже, дає значно менший обсяг даних, ніж в MJPEG. Для H.264 потрібно до 50% менше смуги пропускання, ніж MPEG-4 для передачі зображення того ж якості, тому саме його обрали стандартом стиснення для високопродуктивних IP-камер.  Стандарт H.264 визначає набір додаткових інструментів, які можна використовувати для стиснення відео . Сумісний декодер повинен мати і підтримувати кожен з інструментів, а от у сумісному рішенні для кодування відео можна вибирати, які інструменти використовувати. Це означає, що рішення з кодування відео від різних постачальників можуть значно відрізнятися - деякі стискають потік добре, інші - погано.  Для визначення того, яку інформацію передавати в P-кадрі, необхідно провести пошук руху на кожному кадрі. Якість стиснення залежить від того, наскільки добре і якісно проведений цей пошук. Обмеженням в такому пошуку є доступна обчислювальна потужність камери, що ще більше дає про себе знати у випадку з HD-дозволом при максимальній частоті кадрів.  Порівнюючи кращі рішення для кодування відео з поганими рішеннями, можна відзначити наступні негативні риси останніх:   Набагато більший обсяг переданих даних для відео хорошої якості.   Збільшення потоку даних під час інтенсивних переміщень в кадрі.   Пропущені кадри.   Видимі артефакти (квадрати) або розмитість відео.  Апаратна архітектура Зважаючи значних обчислювальних потреб IP-камери високої чіткості, що використовує H.264, важливо, щоб механізм стиснення реалізовувався в спеціалізованих апаратних засобах, таких як логічна матриця, програмована користувачем (Field Programmable Gate Array - FPGA). При такому типі конструкції можна реалізувати HD-стиснення, яке гарантуватиме відсутність пропущених кадрів і малий розмір потоку відео.  Висновки Використання HD-мегапіксельних IP-камер в системах відеоспостереження дійсно дає переваги. Разом з тим, щоб перейти від їх нинішнього використання в першу чергу в спеціалізованих областях до повсякденного використання, необхідні IP-камери високої чіткості з найкращими технологіями стиснення і малим розміром потоку даних. 

 

Інформація взята з сайту  http://www .tzmagazine.ru