.

Методы сжатия видеоданных

Методы сжатия данных используют математические алгоритмы для устранения, группировки и/или усреднения схожих данных, присутствующих в видеосигнале. Выбор конкретного алгоритма зависит от вашей конечной цели. Существует большое разнообразие алгоритмов сжатия, включая

  • PLV,
  • Compact Video,
  • Indeo, RTV 
  • AVC,

но только Motion JPEG (Joint Photographic Experts Group), MPEG-1 и MPEG-2 ..... признаны международными стандартами для сжатия видео

Методы компрессии видео изображения.

MotionJPEG предcтавляет видео как последовательность JPEG кадров. MotionJPEG один из основных стандартов, используемых в сетевых видео системах. Сетевая видеокамера, подобно цифровому фотоаппарату, обрабатывает отдельные изображения, сжимая их в формат JPEG. Сетевая камера может обрабатывать несколько кадров в течении одной секунды (Axis 221 до 60 кадров в секунду), а затем, создав непрерывный поток, транслировать их в сеть. При скорости 16 кдр/сек и выше, человеческий глаз воспринимает поток образов как непрерывное видео. Поскольку MotionJPEG представляет собой поток отдельных JPEG картинок, его можно сравнить с кинопленкой - каждый кадр имеет четкое изображение, качество которого определяется только уровнем сжатия, выбранным для отдельной сетевой видеокамеры или видео сервера.
H.263 – формат сжатия предназначенный для передачи видео с постоянной, фиксированной скоростью. Основным недостатком фиксированной скорости является то, что при движении объекта качество изображения падает. H.263 был разработан для видео конференц-связи, а не для наблюдения, где отображение деталей являются более критичным, чем скорость передачи данных.
MPEG  Основы разработки стандарта MPEG были заложены группой ученых из MPEG (Motion Picture Experts Group) еще в 80х годах прошлого века. Основной принцип MPEG сжатия это сравнение двух последовательных образов и передача по сети только небольшого количества кадров (так называемые I-frame или ключевые кадры), содержащих 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 позволяет дополнительно повысить степень сжатия видео. Во всех форматах MPEG используетсят метод компенсации движения.
Несмотря на большую сложность при кодировании/декодировании видео сигнала, MPEG сжатие позволяет значительно снизить (в разы) объемы передаваемой по сети информации по сравнению с MotionJPEG.
Основа кодирования у группы алгоритмов MPEG общая. Основные идеи, применяемые в ходе сжатия видеоданных с ее помощью, следующие:

  • - устранение временной избыточности видео, учитывающее тот факт, что в пределах коротких интервалов времени большинство фрагментов сцены оказываются неподвижными или незначительно смещаются по полю.
  • - устранение пространственной избыточности изображений путем подавления мелких деталей сцены, несущественных для визуального восприятия человеком.
  • - использование более низкого цветового разрешения при yuv-предеставлении изображений (y — яркость, u и v — цветоразностные сигналы) — установлено, что глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета по сравнению с изменениями яркости.
  • - повышение информационной плотности результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания (например, использование более коротких кодовых слов для наиболее часто повторяемых значений).
  • На данный момент существует три стандарта MPEG для передачи видео информации.

MPEG-1 был стандартизован и начал использоваться в 1993. Он был предназначен сжатия и хранения видео на компакт дисках. Большинство кодирующих устройств MPEG-1 и декодеров разработаны для скорости передачи данных порядка 1.5Mbit/s при разрешении CIF. Основной упор при его разработке делался на сохранении постоянной скорости передачи, при переменном качестве видео изображения, сравнимым с качеством VHS. При кодировании используется дискретно-косинусное преобразование - выполняется апроксимация внутри блока 8х8 пикселей волновыми функциями. Скорость передачи видео изображения в MPEG-1 ограничена 25 кадрами в секунду в стандарте PAL и 30 в NTSC. В данный момент этот стандарт практически не используется.
MPEG-2 был принят в качестве стандарта в 1994 для применения в высококачественном цифровом видео (DVD), цифровом телевидении высокого качества (HDTV), интерактивных носителях информации (ISM), цифровом радиовещательном видео (DBV) и кабельном телевидении (CATV). При разработке MPEG-2 усилия были сосредоточены на расширении техники сжатия MPEG-1, позволяющей обрабатывать большие изображения с более высоким качеством при более низкой степени сжатия и более высокой скорости побитной передачи данных. . Так же, как и в MPEG-1 при кодировании используется дискретно-косинусное преобразование, но обрабатываемые блоки увеличены в 4 раза - 16х16 пикселей. Скорость передачи видео изображения ограничена 25 кадрами в секунду в стандарте PAL и 30 в NTSC, так же, как в MPEG-1.
MPEG-4 – дальнейшее развитие стандарта MPEG-2. Основы разработки стандарта MPEG-4 были заложены группой ученых из MPEG еще в 1993 году, и уже к концу 1998 года произошло утверждение первого стандарта. Впоследствии стандарт неоднократно дорабатывался, в 1999 году получил официальный статус и затем был стандартизован со стороны ISO/IEC.
Целью создания MPEG-4 была выработка стандарта кодирования, который обеспечил бы разработчиков универсальным средством сжатия видеоданных, позволяющим обрабатывать аудио- и видеоданные как естественного (снятого с помощью видеокамеры или записанного с помощью микрофона), так и искусственного (синтезированного или сгенерированного на компьютере) происхождения. Это обстоятельство кардинальным образом отличает MPEG-4 как видеостандарт от его предшественников MPEG-1 и MPEG-2, в которых эффективное сжатие данных достигается лишь применительно к естественному видео и аудио.
MPEG-4 обеспечивает необходимые средства для описания взаимного расположения объектов (элементов) сцены в пространстве и времени с целью их последующего представления потенциальным зрителям в ходе воспроизведения. Разумеется, такая трактовка предполагает разделение сцены на составляющие ее объекты, что само по себе является весьма трудоемкой задачей, к которой по сути и сводится MPEG-4-кодирование. Кроме того, при разработке стандарта MPEG-4 решались проблемы обеспечения воспроизведения объектов сцены в различных условиях пропускной способности сетей передачи данных. Был разработан формат, допускающий «универсальный доступ» к мультимедийной информации с учетом возможных ограничений полосы пропускания, возникающих в сетях при самых разных условиях. Другими словами, один и тот же видеофрагмент может быть представлен с различным качеством для различных каналов в зависимости от их пропускной способности.

Перспективные технологии - Advanced Video Coding (Расширенное кодирование видео данных)
В последнее время, описанные выше форматы сжатия H.263 и MPEG, начинают объединять, беря из них самое лучшее и передовое, для создания нового стандарта сжатия видео следующего поколения. Ожидается, что в течении ближайших нескольких лет, появится новый, более прогрессивный, стандарт сжатия потокового видео, который заменит используемые в настоящее время H.263 и MPEG-4.

Преимущества и недостатки форматов Motion-JPEG, MPEG-2, MPEG-4
Благодаря простоте, стандарт Motion-JPEG широко используется во многих системах и зачастую является удачным выбором для решения задач видеонаблюдения. При его использовании задержка между получением и кодированием изображения в камере, передачей его по сети, декодированием и отображении на экране монитора незначительна. Другими словами, из-за своей простоты, Motion-JPEG обеспечивает минимальное время задержки между реальным событием и его цифровым отображением, что позволяет оперативно обрабатывать изображение, например используя детектор движения, и отслеживать движущиеся объекты. При использовании формата Motion-JPEG возможна передача изображения с любым разрешением, начиная от самого минимального QVGA для мобильного телефона, до разрешения в несколько мегапикселов. Он гарантирует качество изображения не зависимо от его сложности и количества/размера движущихся объектов, предлагая пользователю выбрать наиболее оптимальные параметры, подходящие для его системы – высокое качество изображения (низкое сжатие) или более низкое качество (высокое сжатие) и меньшие размеры файла, позволяющие снизить нагрузку на сеть и уменьшить размеры дискового пространства, необходимые для хранения видео информации. Скорость передачи кадров может быть установлена принудительно и подстраивается автоматически под имеющуюся полосу пропускания без потери качества изображения.
Однако при компрессии Motion-JPEG не используются алгоритмы видео сжатия, это производит к относительно большим объемам данных, передающихся по сети. В этом отношении, форматы MPEG имеют преимущество по сравнению с M-JPEG, т.к. по сети за единицу времени передается меньший объем информации (более низкий bit-rate). Если существуют ограничения по полосе пропускания, если видео должно записываться с большой скоростью и есть ограничения по размеру дискового пространства – выбор MPEG сжатия может оказаться единственно возможным. Он обеспечивает относительно высокое качество изображения при более низкой нагрузке на транспортную магистраль (требуется меньшая полоса пропускания), по сравнению с Motion-JPEG в 2.5 – 7 раз. Однако это достигается за счет более сложных алгоритмов кодирования/декодирования, требующих большего времени на обработку видео, что приводит к значительным задержкам (до 3-4 секунд) между реальным событием и отображением его на экране.
Следует иметь в виду, что стандарты MPEG-2 и MPEG-4 является лицензируемыми. При их использовании необходимо приобретать лицензии на их использование. Для российского рынка это в теории.
График показывает зависимость полосы пропускания от скорости передачи кадров для Motion-JPEG и MPEG-4. Очевидно, что при низких скоростях MPEG-4 не дает выигрыша, т.к. несуществующие кадры «заполняются» аппроксимированной информацией смежных изображений. При больших значениях скорости передачи кадров, для MPEG-4 требуется значительно меньшая полоса пропускания чем для Motion-JPEG.

Выводы В большинстве приложений используется формат сжатия Motion-JPEG, позволяющий найти компромисс между качеством и скоростью передачи видео изображения. MPEG-4 позволяет экономить дисковое пространство и менее требователен к размеру полосы пропускания, но предъявляет повышенные требования к ресурсам рабочей станции, обрабатывающей видео поток. В случаях, когда нужно только записывать или просматривать видео, MPEG-4 идеальный выбор, но если необходимо анализировать изображение предпочтение стоит отдать Motion-JPEG.