Кодек H264+ в видеонаблюдении. Ключевые отличия от H264.

h.264Plus логотип

1. Введение

H264+ Advanced Video Coding (AVC) — новый кодек в системах видеонаблюдения. Он усиливает компрессию по сравнению с H264. Происходит это из-за трех факторов: интеллектуального анализа с прогнозируемым кодированием, подавления шумов и долгосрочного контроля битрейта. Этот кодек позволяет повысить разрешение изображение и одновременно снизить битрейт. Применение этого кодека экономит деньги заказчика при установке новой системы видеонаблюдения – можно отказаться от высокопроизводительных коммутаторов и дорогого тарифа интернет-провайдера (если данные с камер передаются через WAN).

2. ИСТОРИЯ ВОПРОСА

Сегодня самое популярное разрешение в видеонаблюдении – 1920х1080 (FullHD). Для хранения больших объемов такого видео требуется много жестких дисков, а для их передачи — широкие каналы ЛВС. Отсюда возникает проблема – высокая стоимость инфраструктуры. Для решения этой проблемы производители систем видеонаблюдения используют новейшие технологии сжатия видео, включая MPEG2, MPEG4, H.264 / AVC и т. д. Среди них H.264 / AVC – самый популярный стандарт сжатия.

Записи с камер видеонаблюдения отличаются от любых других видеороликов следующими факторами:

  • Фон изображения меняется крайне редко.
  • Движущиеся объекты появляются нерегулярно
  • Важны только движущиеся объекты.
  • Хранить видео нужно долго.

Для решения этих задач Hikvision предлагает кодек H264+. Это усовершенствованная версия кодека H264, предназначенная для систем видеонаблюдения. Новый кодек снижает битрейт видео при сохранении качества.

3. Ключевые технологии

H264 + улучшает сжатие на основе трех ключевых технологий: прогнозирующего кодирования на основе фоновой модели, подавления фонового шума и технологии управления битрейтом.

3.1 Прогнозирующее сжатие

Алгоритмы сжатия MPEG2, MPEG4, H264/AVC и HEVC, основаны на гибридном сжатии кадров. Кодирование с предсказанием – основная технология сжатия. Её можно разделить на кодирование с предсказанием в пространственной области (далее -пространственным кодированием) и кодирование с предсказанием во временной области (далее – временным кодированием). I-кадры можно сжимать отдельно пространственным кодированием. Сжатие P-кадров основано на сжатых I-кадрах или P-кадрах и использует временное кодирование. Для временного кодирования низкий битрейт достигается за счет сжатия разницы между текущим кадром и опорным кадром. Поэтому выбор подходящего эталонного блока имеет решающее значение.

H.264+
Рис.1 Кодирование с предсказанием.

Характерный признак систем видеонаблюдения – постоянный фон изображения. Значит мы можем извлечь фоновое изображение в качестве опорного кадра. Как показано на рисунке 1 «Кодирование с предсказанием», среди пяти кадров от T0 до T3 являются закодированные изображения. Черный фон использован в качестве опорного кадра и Т4 может быть закодирован на основе сходства и различии между Т3 и черным фоном изображением.

Возьмем для примера рисунок 2: объект перемещается от B к A, поэтому при кодировании кадра T4 область B является новой.

H.264+
рисунок 2: объект перемещается от B к A

Если кадр Т3 берется в качестве опорного, тогда блок сопоставления для области B не будет оптимизирован и потребуется больше кадров. Если черный фон изображения будет опорным кадром, тогда блок сопоставления для области B будет оптимизирован.

Если мы скопируем ту же информацию в черное изображение, а затем возьмем T3 в качестве эталона, у нас образуются идеальные блоки для кодирования T4, что гарантирует высокое качество видео и низкий битрейт. Задание фона в качестве опорного кадра улучшает сжатие неподвижных объектов, снижает требуемое количество I-кадров и битрейт. В видеонаблюдении I-кадры требуются каждые несколько секунд (обычно от 1 до 4). В результате битрейт I-кадра составляет значительную часть от общего битрейта, особенно для неподвижных сцен с низкой динамикой движущихся объектов – там I-кадры могут занимать до 50 процентов ресурсов кодирования! Более того, информация, отображаемая I-кадрами, повторяется даже когда фон не изменяется. Чтобы снизить битрейт повторяющихся I-кадров, H.264 + реализует опорную взаимосвязь прогнозируемого кодирования на основе фоновой модели (predictive encoding reference relationship), показанную на рисунке 3. Это снижает требования к хранилищу.

H.264+
Рис. 3 Синим обозначены I-кадры, а красным – фон.

На рисунке 3 красный кадр — это кадр фона, использующий внутрикадровое прогнозирующее кодирование; синие блоки — это кадры обновления, использующие внутрикадровое прогнозирующее кодирование (для движущихся объектов, отмеченные красными рамками на рисунке 3 Predictive Encoding Reference Relationship) и межкадровое прогнозирующее кодирование (для неподвижных объектов). Белые блоки являются нормальными кадрами, использующими внутрикадровое прогнозирующее кодирование.

Алгоритм интеллектуального анализа выбирает красный блок, в котором меньше движущихся объектов. Размер данных фонового кадра практически совпадает с размером I-кадра, а временной интервал между фоновыми кадрами намного больше, чем интервал между I-кадрами. Размер данных обновляемого кадра намного меньше, чем у I-кадра. Временной интервал между двумя кадрами регенерации совпадает с интервалом I-кадра. Обновление может быть использовано в качестве I-кадра.

Размер фона почти такой же, как и у I-кадра, а временной интервал между фонами намного больше, чем интервал между I-кадрами. Кроме того, размер данных фона намного меньше, чем размер I-кадра. Временной интервал между двумя кадрами такой же, как и между I-кадрами. 

3.2 Подавление шума

H264+
Рис.4. Кодирование с прогнозированием обновления кадра

Поскольку в системах видеонаблюдения фон jстается неизменным, алгоритм интеллектуального анализа может извлекать фоновое изображение и движущиеся объекты (отмечены красными полями на Рисунке 4) отдельно друг от друга. Чтобы гарантировать качество записи движущихся объектов, кодировщик должен кодировать шум в сцене. С интеллектуальным анализом кодировщик может обрабатывать движущиеся объекты и фоновую информацию с различными способами. Например, фоновое изображение может быть закодировано с высоким коэффициентом сжатия, чтобы подавить шум. в некоторой степени и понизить битрейт. См. Рисунок 5 «Подавление шума».

H264+
Рисунок 5. Фон сжимается сильно, а движущиеся объекты – слабо.

3.3 Контроль битрейта

При подавлении шума на фоне, скорость передачи данных колеблется в зависимости от его размера (Рис. 6). На улице фоновая область относительно мала, потому что днем много людей и автомобилей – битрейт будет высокий. И наоборот, та же область будет больше с меньшим количеством людей и транспортных средств ночью, что снижает битрейт.

Рис. 6 Колебания битрейта

Долгосрочный контроль битрейта — эффективное средство, которое адаптируется к различным периодам времени и гарантирует, что средний битрейт целевого (в случае с видеокамерами – заданного пользователем) значения. Чтобы использовать битрейт по максимум, Hikvision вводит концепцию битрейта «Average Bitrate» (средний битрейт). Это  средний битрейт за различные периоды времени (обычно сутки). Для поддержания качества кодирования движущихся объектов и уменьшения трафика, H264+ анализирует битрейт различных периодов, подстраивает и распределяет свободный битрейт по временным периодам. Именно так, технология управления битрейтом H264+ с длительными периодами работы поддерживает средний битрейт в качестве заданного значения.

Чтобы в полной мере использовать битрейт, Hikvision вводит концепцию битрейта, называемую «Средний битрейт», которая представляет собой средний битрейт за различные периоды времени (обычно 24 часа). Для поддержания качества кодирования для движущихся объектов и уменьшения объема памяти H264+ анализирует битрейт различных периодов, самонастраивает битрейт и распределяет свободный битрейт по временным периодам, которые нуждаются в большем количестве. В то же время, технология управления битрейтом H264+ с длительными периодами работы поддерживает средний битрейт в качестве заданного значения.

На рисунке 7, периоды A и B имеют запас битрейта, а период С требует большего битрейта. H.264+ самостоятельно регулирует битрейт и распределяет запасной битрейт на период C. Это выгодно в первую очередь в системах с лимитированным трафиком.

При использовании H.264+ тип битрейта должен быть установлен как «переменный». Когда кодек H.264+ включен, включена и настройка «средний битрейт». Средний битрейт по умолчанию вычисляется интеллектуальным алгоритмом на основе максимального битрейта (Max Bitrate на рис. 7). В большинстве ситуаций задавать средний битрейт не нужно. Его значение корректируется автоматически, в зависимости от окружающей среды – например, оно уменьшается в средах с небольшим количеством движущихся объектов и увеличивается при наличии большого их количества. На рисунке 8 показаны примеры сцен, в которых H.264+ может уменьшить битрейт.

4. Применение

H.264+ при использовании в FullHD-камерах, обеспечивает качество картинки, аналогичное H.264/AVC, но требует меньше места для хранения данных. Для систем видеонаблюдения с низкой динамикой движения, использование H.264+ позволяет сократить объем трафика на 75%! Для сцен с большой динамикой, H.264+ может сэкономить до 50% трафика, но тут все индивидуально – слишком большая зависимость от динамики в сцене. Если же меняется и фон изображения, например при работе PTZ-камер, H.264+ не дает никакой экономии по сравнению с H.264/AVC. Более того, пиковая скорость передачи данных в H.264+ может быть выше, чем средняя скорость передачи данных, чтобы гарантировать качество кодирования движущихся объектов. Ведь чем их больше, тем выше битрейт. H.264+ полностью соответствует стандарту H.264/AVC и совместим с большинством программных/аппаратных средств, поддерживающих H.264 без необходимости использования дополнительных подключаемых модулей. Для оптимизации просмотра при использовании H.264+ на системах, которые декодируют обычные H.264/AVC, может потребоваться небольшая корректировка настроек декодирования.

5. Заключение

По сравнению со своим предшественником, H.264+ снижает битрейт. Снижение битрейта экономит место на жестких дисках и ширину канала. Благодаря применению H.264+, заказчик может экономить на коммутаторах, трафике и дисковом хранилище при сохранении качества изображения. 

Если вам нужна установка видеонаблюдения – обращайтесь к нам.

Добавить комментарий