Wprowadzenie:
Sieć nie może przesyłać nieprzetworzonych danych bez jakiejkolwiek formy kompresji podczas przesyłania strumieniowego wideo. Ze względu na duży rozmiar pliku zapisywanie danych na ograniczonej pojemności dysków twardych jest niemożliwe. Z tego powodu musimy stosować kompresję, szczególnie w systemach nadzoru wideo. Kompresja wideo usuwa zbędne dane wideo, dzięki czemu plik wideo można skutecznie przenieść lub zapisać. Treści wideo są kodowane i dekodowane w formacie kontenerowym przy użyciu metody kodeków wideo, dzięki czemu nie ma to wpływu na jakość obrazu w czasie transmisji przez sieć. Analizujemy koncepcję i niektóre różne typy kodeków wideo i kontenerów wideo oraz ich różnice.
Co to jest kodek wideo?
Kodek to oprogramowanie do kompresji lub dekompresji cyfrowego pliku multimedialnego do transmisji w sieci danych. W rzeczywistości para algorytmów kodowania i dekodowania, które działają razem, są nazywane kodekami wideo, więc koder używa tych algorytmów do skutecznego kompresowania rozmiaru pliku wideo, a następnie dekompresji w razie potrzeby. Niektóre kodeki zawierają oba składniki, inne jeden. Ponadto kodeki są podzielone na dwie kategorie: bezstratny i stratny. W bezstratnym koderze wszystkie informacje są przechowywane w oryginalnym strumieniu, który utrzymuje jakość wideo. Z drugiej strony, stratne kodeki obniżają jakość z powodu zastosowania mniejszej przepustowości danych i braku niektórych oryginalnych danych w celu uzyskania najlepszej kompresji.
Istnieją różne standardy kodeków, które wykorzystują różne technologie kodowania i dekodowania pliku wideo, które odnoszą się do zamierzonej aplikacji. Ponieważ treści wideo skompresowane za pomocą jednego standardu nie można dekompresować za pomocą innego standardu, różne implementacje kodeków wideo zwykle nie są ze sobą kompatybilne. Ponieważ jeden algorytm nie może poprawnie odkodować wyniku innego algorytmu.
Możliwe jest jednak zaimplementowanie wielu różnych algorytmów w tym samym oprogramowaniu lub sprzęcie, aby można było skompresować wiele formatów. Stosowanie różnych metod kompresji danych prowadzi do zmiennej przepływności, jakości i opóźnienia. Czas potrzebny na kompresję, wysłanie, dekompresję i wyświetlenie pliku zwanego opóźnieniem.
W jaki sposób kompresja wideo może wspierać nadzór wideo?
Metody kompresji wideo wykorzystują kodek do zmniejszania lub usuwania niepotrzebnych plików lub ramek z plików wideo bez znaczącego wpływu na końcowe wideo. Dzięki temu plik wideo jest mniejszy, dzięki czemu można zapisać więcej filmów na dyskach twardych NVR lub pliki mogą być przechowywane przez dłuższy czas.
Ze względu na dużą pojemność plików wideo o wysokiej rozdzielczości kompresja wideo jest cennym narzędziem, gdy system nadzoru ma ograniczenia pamięci i przepustowości. Warto zauważyć, że należy znaleźć najlepszą równowagę między jakością obrazu a metodą kompresji, aby osiągnąć pożądaną jakość obrazu pomimo kompresji.
W przypadku wideo IP kodowanie odbywa się za pomocą kodera kamery IP, a dekodowanie zwykle odbywa się na komputerze lub urządzeniu, na którym wyświetlany jest obraz na żywo.
Kompresja wideo oznacza, że pliki są przesyłane przez sieć bez znaczącego opóźnienia. Prowadzi to do szybkiej transmisji danych, co jest szczególnie ważne w przypadku mobilnego wyświetlacza ze smartfonem do nadzoru wideo.
Różne typy kodeków wideo:
Podobnie jak cyfrowa kamera obrazu, kamera sieciowa przechwytuje pojedyncze obrazy i kompresuje je do formatu. Kamera rejestruje i kompresuje pojedyncze obrazy na sekundę (fps), a następnie zamienia je w ciągły przepływ obrazu przez sieć do stacji oglądania. Przy liczbie klatek na sekundę wynoszącej około 16 kl./s i więcej widz ogląda film z pełnym ruchem. Ponieważ każdy pojedynczy obraz jest w pełni skompresowanym obrazem, mają tę samą jakość, która jest określona przez poziom kompresji zdefiniowany dla kamery sieciowej. Kompresja wideo jest zatem wykonywana automatycznie przez kamerę monitorującą. Wybór poziomu kompresji jest ważnym zagadnieniem dla uzyskania najlepszej jakości wideo. Tutaj badamy niektóre metody kompresji wideo.
MJPEG:
Motion JPEG (MJPEG) to kodek wideo, w którym każde pole wideo (ramka) jest osobno kompresowane w celu utworzenia obrazu JPEG. Ponieważ JPEG jest metodą kompresji do kompresji obrazów, MJPEG jest algorytmem do kompresji wielu obrazów wideo i wysyłania ich jako pojedynczych obrazów JPEG. Wynikowa jakość filmów jest niezależna od ruchu na obrazie, więc jakość nie spada, jeśli film zawiera dużo ruchu.
Ze względu na minimalne opóźnienie w przetwarzaniu obrazu i utrzymanie jakości obrazu podczas transmisji przy niskiej dostępności przepustowości, MJPEG jest nadal użytecznym formatem kompresji pomimo starego stratnego kodeka.
MPEG:
MPEG oznacza Moving Picture Experts Group i jest jedną z największych rodzin w dziedzinie kodeków wideo i najczęściej stosowanym formatem wideo. Jego algorytmy kompresują dane na małe bity, które można łatwo przesłać, a następnie zdekompresować. Ponieważ niektóre dane są usuwane w MPEG, ta metoda jest kompresją stratną, ale wada ta jest na ogół niewidoczna dla ludzkiego oka. Najczęściej używane typy MPEG to MPEG1 (do tworzenia płyt VCD i pobierania niektórych klipów wideo), MPEG2 (do tworzenia płyt DVD i niektórych edycji HDTV i edycji wideo na żądanie) oraz MPEG4. MPEG4 przesyła wideo i obrazy w wąskim paśmie, co oznacza, że przepustowość sieci wykorzystywana przez system nadzoru jest zmniejszona. Ponadto MPEG4 zmniejsza wymaganą ilość pamięci i wydłuża czas, w którym można zapisywać filmy, co jest korzystne dla nadzoru wideo. Z drugiej strony MPEG4 może identyfikować i przetwarzać oddzielne obiekty audio i wideo w ramce, co oznacza, że poszczególne elementy mogą być bardziej skompresowane. Dlatego może łączyć wideo z tekstem, grafiką oraz warstwami animacji 2D i 3D.
Należy również zauważyć, że MPEG zużywa mniej przepustowości sieci i pamięci niż MJPEG ze względu na zastosowanie kompresji sekwencjonowania wideo, która przenosi jedynie zmiany w sekwencji. Jednak jakość często spada, gdy w filmie występuje duży ruch. Jest to wada MPEG.
DivX:
DivX, popularny kodek MPEG4 opracowany przez DivX, Inc., umożliwia użytkownikowi szybkie odtwarzanie i tworzenie wysokiej jakości filmów w najlepszej jakości. DivX może skompresować film DVD, aby zmieścił się na dysku CD, a DivX HD może zmniejszyć film HD, aby zmieścił się na dysku DVD.
XviD:
Jest to wersja DivX typu open source, więc filmy zakodowane przez XviD mogą być dekodowane przez wszystkie dekodery kompatybilne z MPEG4. Kodek XviD może kompresować film DVD o pełnej długości, aby zmieścił się na jednej płycie CD, zachowując oryginalną jakość obrazu. Służy do kompresji danych wideo, aby ułatwić przesyłanie danych wideo i poprawić przechowywanie na dyskach twardych.
H.264:
H.264 to najnowsza i najbardziej wydajna metoda kompresji, szczególnie w przypadku monitoringu wideo. Ta technologia ocenia małe grupy ramek jako serie, aby uniknąć powielania treści w każdej ramce bez ich zmieniania. Niskie wykorzystanie przepustowości, zmniejszone wymagania pamięciowe, wyższa rozdzielczość i lepsza jakość obrazów zachęcają aplikacje monitorujące bezpieczeństwo do korzystania z kodeka H.264.
Dlaczego kompresja wideo H.264 jest zalecana do nadzoru wideo?
Aby określić przewagę jednego formatu kompresji nad innym, należy wziąć pod uwagę niektóre czynniki, takie jak: B. zużycie pasma, wymagania dotyczące pamięci, opóźnienia i jakość obrazu.
Popularne standardy kompresji wideo to MJPEG, MPEG4 i H.264, a niektóre funkcje H.264 zwiększają jego popularność w systemach zabezpieczeń wideo.
Standard kompresji wideo H.264 oferuje około dwukrotnie większą kompresję niż poprzedni standard MPEG4 przy tej samej jakości wideo.
Szybkość transmisji to całkowita liczba bitów przesłanych między dwoma urządzeniami. Szybkość transmisji kamery IP ma bezpośredni wpływ na maksymalną ilość danych, które mogą być przesyłane przez sieć w określonym momencie (szerokość pasma). Jeśli system nadzoru wykorzystuje większą przepustowość niż dostępna, kanały wideo zostaną utracone. Zmniejszając przepływność, można przesyłać więcej danych, a szybkość transmisji jest zwiększana. H.264 oferuje niską przepływność, aby zmniejszyć wykorzystanie przepustowości, o 80% niższą niż wideo MJPEG i o 30-50% niższą niż MPEG4. Niższa przepływność jest pożądana w aplikacjach zabezpieczających, które wymagają dużej szybkości klatek, takich jak. B. Kasyno, monitorowanie ruchu, liczenie obiektów (takich jak pojazdy, ludzie) itp.
Z drugiej strony, w systemie nadzoru wideo maksymalna pojemność pamięci wskazuje, ile można zachować zarejestrowanych dni, dlatego należy wziąć pod uwagę ilość pamięci wymaganą do nagrania. Niska przepływność zmniejsza rozmiar zapisywanych plików, dzięki czemu użycie H.264 pozwala zaoszczędzić w sumie 30–80% przestrzeni dyskowej w porównaniu do konwencjonalnych formatów kompresji. Dlatego okres przechowywania zarejestrowanego archiwum zostaje przedłużony.
Niskie opóźnienia są warunkiem nadzoru wideo, ponieważ nadzór powinien wyświetlać obrazy w czasie rzeczywistym. H.264 oferuje małe opóźnienia, więc ta metoda kompresji jest wymagana do nadzoru wideo. Oprócz oszczędności przepustowości i miejsca do przechowywania, jakość obrazu jest ważnym czynnikiem w każdym systemie nadzoru wideo. Dlatego skuteczna metoda kompresji powinna zapewniać wysoką rozdzielczość wideo. Kodowanie wideo w wysokiej rozdzielczości w H.264 umożliwia kamerze IP uchwycenie szczegółów i zapewnienie wysokiej jakości obrazów. To sprawia, że jest to idealny kodek wideo do krytycznego nadzoru wideo.
H.264 zapewnia techniki tworzenia lepszych koderów wideo, które w porównaniu z innymi kodekami wideo dają strumienie wideo o wyższej jakości, wyższej częstotliwości odświeżania i wyższej rozdzielczości przy niższej prędkości transmisji.
Technicznie rzecz biorąc, H.264 wprowadza nowy i zaawansowany schemat prognozowania wewnętrznego, który jest integralną częścią jego skuteczności w monitoringu wideo. Nowa intra-predykcja służy do kodowania ramek I (pierwsza ramka w sekwencji wideo jest zawsze ramką I), co znacznie zmniejsza rozmiar bitów ramki I i utrzymuje wysoką jakość poprzez sekwencyjne przewidywanie mniejszych bloków pikseli każdy makroblok w ramce.
Innym ważnym czynnikiem w metodach kompresji wideo jest redukcja danych przy dużym ruchu w filmie. Wymaga to takich technik, jak kompensacja ruchu oparta na blokach, która dzieli ramkę na wiersz lub blok makro. Technologia ta została ulepszona w koderze H.264 i potwierdza jej wydajność w zatłoczonych scenach nadzoru, w których wymagana jest wysoka jakość. Ponadto określony filtr użyty w H.264 wygładza krawędź bloku za pomocą siły adaptacyjnej, aby uzyskać prawie świetny dekompresowany obraz.
Różnice między H.264 i H.265:
H.265 lub HEVC (High Efficiency Video Coding) jako kolejna generacja H.264 to standard kompresji wideo, który zapewnia jakość obrazu identyczną z H.264 przy jedynie połowie szybkości transmisji, co oznacza, że wykorzystanie przepustowości jest podzielone na pół. Zapotrzebowanie na lepszą kompresję, wyższą jakość obrazu i oszczędność przepustowości prowadzi do przejścia z kompresji H.264 na H.265.
Jaki jest format kontenera wideo (pliku)?
Format kontenera jest rodzajem formatu pliku, który zawiera różne typy danych, które są kompresowane przez różne kodeki. Format kontenera wideo zawiera różne składniki filmu, np. B. strumień obrazu, dźwięk i wszystko inne.
Istnieje kilka rodzajów formatów plików wideo, które są krótko opisane w tej sekcji.
Format AVI (.avi):
AVI to skrót od Audio Video Interleaved, ponieważ format kontenera multimediów przechowuje dane, które mogą być kodowane w wielu różnych kodekach i mogą zawierać zarówno dane audio, jak i wideo. Możliwość wyboru kodeka dla kontenerów AVI może uzyskać wysoką kompresję jako zaletę formatu AVI. Jednak wadą jest utrata jakości wideo, gdy pliki AVI są kompresowane poniżej określonych limitów.
Format MP4 (.mp4):
Kontener MP4 używa MPEG4 lub H.264 do kodowania wideo i AAC do kompresji dźwięku. Jest szeroko obsługiwany na większości urządzeń konsumenckich i jest najczęściej używanym pojemnikiem na strumienie audio i wideo w Internecie.
Format MKV (.mkv):
MKV to kontener obsługujący dowolny format audio lub wideo. Dlatego jest to jeden z najlepszych pojemników do przechowywania plików audio i wideo. Obsługiwana jest również funkcja debugowania, dzięki czemu można odtwarzać uszkodzone pliki. Właśnie dlatego MKV jest elastycznym i wydajnym pojemnikiem, który szybko stał się jednym z najlepszych obecnie dostępnych pojemników.
Format WMV (.wmv):
WMV oznacza Windows Media Video, a pliki te często zawierają Windows Media Video i Windows Media Audio. WMV zawiera pliki, które wspierają zarządzanie prawami cyfrowymi i uniemożliwiają użytkownikom kopiowanie informacji. Zaletą tego formatu jest możliwość kompresji dużych plików wideo przy zachowaniu bardzo wysokiej jakości.
Format wideo Flash (.flv, .swf):
FLV to format pliku używany przez Adobe Flash Player do przechowywania i dostarczania zsynchronizowanych strumieni audio i wideo przez Internet. Zaletą tego formatu jest jego niewielki rozmiar, co ułatwia przeglądanie lub pobieranie. Istnieją dwa różne formaty plików wideo znane jako Flash Video: FLV i F4V. Najnowsze formaty plików FLV obsługują kodowanie wideo H.264 i kodowanie audio AAC.
Format ASF (.asf):
Advanced System Format (ASF) był wcześniej znany jako Advanced Streaming Format lub Active Streaming Format, który został opracowany przede wszystkim do przechowywania i odtwarzania strumieni multimediów cyfrowych oraz transmisji przez sieci. Dlatego obsługuje transmisję danych w różnych sieciach i protokołach. Pliki ASF obsługują odtwarzanie multimediów cyfrowych, serwerów HTTP i urządzeń pamięci masowej. To nie zależy od systemu operacyjnego.
Jedną z zalet formatu ASF jest to, że wideo można odtwarzać przed przesłaniem strumieniowym do końca, dzięki czemu użytkownik może odtwarzać i wyświetlać plik, gdy pewna liczba bajtów została pobrana, a plik podczas przeglądania Pobrany dalej czyni go idealnym do korzystania z Internetu. (Na przykład jak YouTube)
Chociaż ASF nie definiuje sposobu kodowania wideo lub audio za pomocą kodeka, definiuje strukturę strumienia wideo i audio. Kontener ASF często zawiera pliki Windows Media Audio (WMA) i Windows Media Video (WMV), które można skompresować przy użyciu różnych kodeków wideo. Jednak najlepszą kompresję uzyskuje się dzięki kodekowi audio Microsoft Windows Media. Oprócz typów strumieni wideo i audio plik ASF może także zawierać dowolne typy danych, takie jak strumienie tekstowe, polecenia skryptowe, strony internetowe, albumy tytułowe (dla ścieżek audio).
Wadą formatu ASF jest to, że maksymalna rozdzielczość 352 x 288 jest niska, ponieważ jest przeznaczony głównie do funkcji przesyłania strumieniowego.
Ten format został zastąpiony przez pliki WMA i WMV.
Różnice między kodekiem wideo a formatem kontenera wideo:
Kodeki i pojemniki nie są równoważne. Format pliku wideo określa sposób przechowywania danych wraz z danymi audio i wideo. Metoda kompresji danych nie jest zdefiniowana, gdy kodek koduje i dekoduje strumienie wideo i audio w pliku wideo. Innymi słowy, dane skompresowane przy użyciu określonego kodeka znajdują się w kontenerze. Dobre formaty kontenerów mogą przetwarzać pliki skompresowane przy użyciu różnych kodeków. Czasami kontener i kodek mają tę samą nazwę, np. B. Format pliku, taki jak Windows Media Audio (WMA), zawiera dane skompresowane przy użyciu kodeka Windows Media Audio. Jednak format pliku, taki jak Audio Video Interleaved (AVI), może zawierać dane skompresowane przez wiele różnych kodeków, w tym kodeki MPEG-2, DivX lub XviD.
Wniosek:
Systemy monitorowania powinny być zaprojektowane pod kątem dostępnej pojemności pamięci lub tolerancji przepustowości. Zmniejszenie wymagań dotyczących pamięci i możliwość zmniejszenia przepływności przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej rozdzielczości są ważnymi zagadnieniami dla tych systemów. Techniki kompresji wideo umożliwiają kodowanie strumieni wideo w celu transmisji w sieci oraz dekodowanie strumieni w celu wyświetlenia bez znacznego pogorszenia jakości. Kompresję wideo uzyskuje się poprzez usunięcie niepotrzebnych części obrazu i zmniejszenie rozdzielczości kolorów.
Wśród różnych kodeków wideo Motion JPEG oferuje dobry współczynnik kompresji i jakość, ale H.264 oferuje cenny postęp w technologii kompresji wideo dzięki dokładniejszym funkcjom przewidywania. H.264 jest obecnie najczęściej stosowaną metodą kompresji w kamerach sieciowych, ponieważ wydajność kodowania, opóźnienia, złożoność i niezawodność zostały znacznie poprawione. Oferuje średnią redukcję przepływności o 50% w porównaniu ze starszymi standardami kodeków wideo, co oznacza, że wyższą jakość uzyskuje się przy zachowanej szybkości transmisji lub odwrotnie, taką samą jakość wideo uzyskuje się przy niższej prędkości transmisji.
Z drugiej strony, zapotrzebowanie rynku na lepszą jakość obrazu, większą liczbę klatek na sekundę i wyższe rozdzielczości przy zminimalizowanym zużyciu przepustowości prowadzi do pojawienia się H.265 jako kolejnej generacji H.264. Wyższą rozdzielczość osiąga się tylko przy połowie przepływności H.264, co prowadzi do oszczędności przepustowości.
Na koniec należy zauważyć, że produkty sieci wideo obsługujące różne formaty kompresji, szczególnie H.264 i H.265, są dziś idealne pod względem maksymalnej elastyczności i wydajności.
