Стандарты сжатия

Технологии видеосжатия уменьшают количество излишних видеоданных, и благодаря этому цифровой видеофайл может быть более эффективно передан через сеть и сохранён на компьютерных дисках. Использование эффективных технологий сжатия позволяет достичь значительного уменьшения размера файла с маленьким или неважным влиянием на качество изображения. Хотя, если размер файла будет слишком сильно уменьшен засчёт увеличения уровня сжатия, качество видеоизображения может пострадать.

Существуют различные технологии сжатия, как проприетарные, так и промышленные стандарты. На сегодняшний день большинство производителей сетевых видеосистем используют стандартные технологии сжатия. Стандартизация важна для совместимости. Применительно к видеосжатию совместимость может применяться для разных целей и может быть необходима для некоторых приложений, например, для просмотра записей через много лет после записи. При внедрении стандартов конечный пользователь при проектировании системы видеонаблюдения имеет возможность выбирать между различными производителями, а не быть привязанным к одному поставщику.

Компания Axis использует три различных стандарта видеосжатия: Motion JPEG, MPEG-4 Part 2 (иногда его просто называют MPEG-4) и H.264. H.262 — новейший и наиболее эффективный стандарт видеосжатия.

Видеокодеки

Процесс сжатия включает в себя применение к исходным видеоданным алгоритма для создания сжатого видеофайла, который можно передавать и хранить. Для воспроизведения сжатого файла используется обратный алгоритм, который воссоздаёт изначальный видеопоток. Время, которое занимает сжатие, пересылка, декомпрессия и визуализация файла, называется латентностью.

Пара алгоритмов, которые работают вместе, называется видеокодеком (кодирование/декодирование). Видеокодеки различных стандартов обычно не совместимы друг в другом; это означает, что видеоинформация, сжатая с помощью одного стандартного кодека не может быть извлечена с помощью другого стандартного кодека. Например, декодер MPEG-4 не сможет извлечь информацию, сжатую с помощью кодера H.264. Это естественно, что один алгоритм не может декодировать сжатые другим алгоритмом данные; но некоторые программные и аппаратные продукты поддерживают различные алгоритмы.

Сжатие изображений и видео

Различные стандарты сжатия используют различные методы для уменьшения данных и поэтому результат отличается по битрейту, качеству и латентности. Алгоритмы делятся на два типа: сжатия изображения и видеосжатия.

Сжатие изображения использует внутрикадровую технологию кодирования. Объём данных уменьшается в кадре с помощью простого удаления излишней информации, которая незаметна для человеческого глаза. Motion JPEG — пример алгоритма такого типа. Motion JPEG кодирует и сжимает изображения как очередь из отдельных JPEG-изображений.

Эти три изображения с помощью Motion JPEG формата будут сжаты и отосланы как отдельные, независимые друг от друга, I-кадры .

Алгоритмы видеосжатия,такие как MPEG-4 и H.264, используют межкадровое предсказание для серий кадров для уменьшения объёма данных. Оно включает в себя технику дифференцированного кодирования, когда кадр сравнивается с опорным кадром и кодируются только изменившиеся пиксели. В этом случае количество меняющихся пикселей определяет качество сжатия. При визуализации таким образом сжатого видеосигнала, изображения показываются как в оригинальном видеопотоке.

При использовании дифференциального кодирования только первый кадр (I-кадр) сохраняется полностью. Два последующих изображения (P-кадры) позволяют создать так называемый дом — статичные элементы. С помощью векторов движения кодируются только двигающиеся части (например, бегущий человек), что уменьшает количество информации, которую необходимо передавать и хранить.

Другие технологии, такие как компенсация, основанная на движении блоков, могут использоваться для ещё большего уменьшения количества данных. Компенсация, основанная на движении блоков, принимает во внимание то, что множество изменившихся объектов в новом кадре существуют и на предыдущем кадре, но в другом месте. Эта технология разбивает кадр на серию блоков пикселей — макроблоков. Новый кадр может быть собран или «предсказан» с помощью поиска соответвующего блока в опорном кадре. Если соответствие найдено, кодер кодирует положение, в котором соответсвующий блок был найден в опорном кадре. Такое кодирование вектора движения требует меньшего боличества битов, чем настоящее содержание блока, который он описывает.

При межкадровом предсказании каждый кадр в потоке изображений классифицируется как I-, P- или B-кадр.

I-кадр — внутренний, интракадр, — который можен быть кодирован независимо, без привязки к другим изображениям. Первое изображение в видеопотоке — это всегда I-кадр. I-кадры необходимы в качестве стартовых точек для новых просматривающих видеоизображение лиц или точек пересинхронизации, если передаваемый поток битов оказался повреждённым. I-кадры должны быть использованы для реализации функций видеоперемотки и других функций произвольного доступа. Кодер автоматически вставляет I-кадры через определённые интервалы или по требованию, если к просмотру видеопотока присоединяется ещё один пользователь. Недостаток использования I-кадров в том, что они занимают намного больше битов; но с другой стороны они не производят много обусловленных отсутствием данных артефактов.

P-кадр, который поддерживает предсказанный интеркадр, обращается к частям более ранних I- и P-кадров для кодирования кадра. P-кадры обычно требуют меньшего количества битов, чем I-кадры, но их недостатком является то, что они очень чувствительны к ошибкам передачи, так как сильно зависят от предыдущих P- и I-кадров.

В-кадр — дважды предсказанный кадр — это кадр, который ссылается одновременно и на более ранний опорный кадр и на будущий кадр. Использование B-кадров увеличивает латентность.

Типичный потом из I-, B-, и P-кадров. P-кадр может ссылаться только на предыдущие I- и P-кадры, а B-кадр может ссылаться и на предыдущие и на будущие I- и P-кадры.

Когда видеодекодер восстанавливает видеоинформацию, по кадрам расшифровывая поток битов, расшифровка всегда начинается с I-кадра. P-кадры и B-кадры, если они используются, должны быть расшифрованы вместе с опорными кадрами.

Сетевые видеопродукты Axis позволяют пользователям устанавливать длину видеогруппы (GOV, group of video), которая определяет сколько P-кадров могут быть посланы, пока следующий I-кадр должен быть послан. Уменьшением частоты I-кадров (более длинная видеогруппа) можно уменьшить необходимый битрейт. Для уменьшения латентности не следует использовать B-кадры.

Кроме дифференциального кодирования и компенсации движения существуют другие методы, которые могут быть использованы для ещё большего уменьшения объёма данных и увеличения видеокачества. H.264, к примеру, поддерживает расширенные технологии, которые включают в себя схемы предсказания для кодирования I-кадров, улучшенная до субпиксельной точности компенсация движения и in-loop deblocking фильтр для размытия границ пиксельных макроблоков.

Источник: AXIS Communications AB