Úsporná komprese H.264+

[ Rubrika: ]

H.264+.pngÚvod

Komprese H.264+ Advanced Video Coding (AVC) je optimalizací původního standardu H.264. Kombinací technologií inteligentní analýzy, redukce šumu a dlouhodobé regulace přenosové rychlosti lze uspokojit zájem o vysoké rozlišení obrazu za nízké přenosové rychlosti. Výsledkem je úspora datových toků pro přenos dat, nižší nároky na aktivní prvky a přenosové trasy sítě a úspora datových úložišť.

Důvody

Masivní video data vyžadují zvýšenou kapacitu. Rostoucí popularita videa s vysokým rozlišením požaduje vyšší kapacitu zařízení a zvyšuje náklady na systém. Pro vyřešení tohoto problému výrobci využívají nejnovější video kompresní technologie, jako MPEG2, MPEG4, H.264/AVC atd., mezi nimiž je H.264/AVC nejpopulárnější.

Ve srovnání s normálními videi má bezpečnostní video následující charakteristiky:
• informace o pozadí zůstává většinou konstantní a mění se zřídka
• pohybující se objekty se mohou objevit jen sporadicky
• divák se zaměřuje především na pohybující se objekty ve scéně
• non-stop dohled má vliv na požadavky na úložiště
• video šum má poměrně velký vliv na kvalitu a úložiště

Klíčové technologie

H.264+ zlepšuje výkon komprese založené na třech klíčových technologiích: prediktivní kódování založené na modelu pozadí, redukce šumu pozadí a dlouhodobé ovládání datového toku.

Prediktivní kódování

Aktuální kompresní algoritmy, jako je MPEG2, MPEG4, H.264/AVC a nejnovější HEVC, jsou všechny založeny na hybridním kódování snímků. Prediktivní (předvídaný, odhadnutelný) kódování je jedním ze základních technologií komprese a může být rozděleno do prostorové a časové oblasti.

I-snímky mohou být kódovány odděleně prostorovým kódováním. P-snímky závisí na I-snímcích nebo předchozích P-snímcích a jsou kódovány časově.

Časové kódování se provádí kompresí změn mezi aktuálním a referenčním snímkem. Z tohoto důvodu je výběr referenčního snímku velmi důležitý. U bezpečnostních videí je pozadí obvykle statické a proto ho lze extrahovat a použít jako referenční snímek.

h264+1.jpg
Obr. 1 Prediktivní kódování

Na Obr. 1 je znázorněna tvorba dalšího snímku. T0 - T3 jsou již zakódované snímky. Černý snímek pozadí může být použit jako referenční. T4 se pak zakóduje na základě podobností a rozdílů mezi T3 a černým referenčním snímkem pozadí.

h264+2.jpg
Obr. 2 Pohybující se objekt z B do A

Na Obr. 2 je příklad pohybujícího se objektu. Při kódování snímku T4 je oblast B nově "odkrytá". Pokud by byl referenční snímek pouze T3, neměli bychom optimální blok pro oblast B, takže by bylo vyžadováno více předchozích snímků. Pokud tedy použijeme černý snímek jako referenční, ve většině případů pak máme k dispozici odpovídající blok dat pro oblast B. Nicméně, pokud bychom zkopírovali stejné informace z černého snímku, a pak použili T3 jako referenční obraz, můžeme jednoduše najít ideální bloky k zakódování T4, což zaručuje kvalitu obrazu a snižuje datový tok. Když vezmeme obrázek na pozadí jako referenční snímek, zlepší se nejen výkon komprese nehybných objektů, ale také se sníží velikost I-snímku.

I-snímky jsou požadovány v řádu sekund (obvykle 1 až 4 sekundy). Datový tok I-snímků využívá velké procento výkonu pro kódování, a to zejména pro prostředí, která mají značně detailní scény, a které jsou relativně bez pohybu. Může to být až 50% výkonu. Kromě toho se I-snímky opakují, když je pozadí beze změny. Aby se snížila spotřeba dat opakujících se I-snímků, H.264 + realizuje referenční prediktivní kódování (podle vzoru pozadí) ukázaný na Obr. 3.

h264+3.jpg
Obr. 3 Referenční prediktivní kódování

Algoritmus inteligentní analýzy vybere červený blok, který má méně pohybujících se objektů. Velikost dat snímku pozadí je téměř stejná jako u I-snímku, ale časový interval mezi jednotlivými snímky pozadí je mnohem delší než interval mezi I-snímky. Velikost dat obnovovacího snímku je mnohem menší, než I-snímku. Časový interval mezi dvěma obnovovacími snímky je stejný, jako u I-snímků. Obnovovací snímek může být použit jako I-snímek.

Redukce šumu

Vzhledem k tomu, že pozadí typického bezpečnostního videa zůstává relativně beze změny, algoritmus inteligentní analýzy dokáže extrahovat obrázek na pozadí a pohybující se objekty (jako je vidět na Obr. 4).

h264+4.jpg
Obr. 4  Prediktivní kódování obnovovacího snímku

Za normálních okolností, aby byla zaručena kvalita pohybujících se objektů, kodér musí zakódovat šum ve scéně. Nicméně, s inteligentní analýzou může kodér zpracovat pohybující se objekty a informaci o pozadí pomocí různých kódovacích strategií (např. za předpokladu, že je zaručena kvalita obrazu, obrázek na pozadí může být zakódován s vysokým kompresním poměrem pro potlačení šumu a snížit datový tok). Viz Obr. 5.

h264+5.jpg
Obr. 5 Redukce šumu

 

Dlouhodobé ovládání datového toku

S redukcí šumu obrázku na pozadí, datový tok kolísá v závislosti na velikosti plochy pozadí. Například na ulici je plocha pozadí poměrně malá, protože je zde mnoho lidí a vozidel v průběhu dne, což vede k vysokému datovému toku. Naopak, stejné pozadí bude relativně větší s menším počtem osob a vozidel v noci, což vede k nízkému datovému toku. Přidělení různé přenosové rychlosti v závislosti na různých časových obdobích zaručuje nejen kvalitu obrazu pohybujících se objektů, ale také snižuje požadavky na úložiště. Dlouhodobá kontrola datového je účinným prostředkem, který se může samostatně přizpůsobit různým požadavkům datově náročných časových období, a mohou zajistit průměrný datový tok dosahující své cílové hodnoty.

Chcete-li plně využívat datový tok, zavádí Wonderex typ datového toku nazvaný "Průměrný datový tok", což je průměrný datový tok v průběhu různých časových období (obvykle 24 hodin). Aby byla zachována kvalita kódování pro pohyblivé objekty, ale snížil se úložný prostor, H.264+ analyzuje datový tok v různých obdobích, automaticky upravuje datový tok a přiděluje náhradní tok pro časová období, která potřebují více.

Na Obr. 6, období A a B mají náhradní přenosové rychlosti, H.264+ je samostatně upravuje a přiděluje tyto náhradní datové toky na období C.

h264+6.jpg
Obr. 6 Průměrný datový tok

Při použití H.264+, musí být Typ datového toku nastaven jako "variabilní". Je-li povoleno H.264+, je povolen Průměr datový tok. Výchozí průměrný datový tok se vypočítá pomocí inteligentního algoritmu založeného na maximálním datovém toku.

Ve většině případů není třeba průměrná datový tok nastavovat. Hodnota může být nastavena na základě prostředí, nižší v prostředích s malým počtem pohyblivých cílů a vyšší, když existuje spousta pohyblivých cílů.

Obr. 7 ukazuje příklady scén, kde H.264+ může snížit požadavky na úložiště. Snížení datového toku je vzhledem k velikosti pozadí a množství pohybu ve scéně. Tabulka ukazuje celkovou redukci datového toku.

h264+7.jpg
Obr. 7 Scény s redukcí datového toku

Použití

H.264+ aplikovaná na vysoké rozlišení nebo megapixelové bezpečnostní kamery poskytuje kvalitní ekvivalent obrazu H.264/AVC, přičemž vyžaduje méně místa. Prostředí s malým počtem pohybujících se objektů s použitím H.264+ může snížit nároky na úložný prostor o 75%. Scény, které mají mnoho pohybujících se objektů v určitých časech, H.264+ můžete ušetřit až 50% potřebného prostoru na disku. Pro scény s mnoha pohybujícími se objekty po celou dobu, je požadavek na úložiště s H.264+ podobný jako u H.264/AVC.

Kromě toho, špičky datového toku u H.264+ můžou být vyšší, než je průměrný datový tok tak, aby byla zaručena kvalita kódování pohybujících se objektů, neboť čím větší je pohybující se objekt, tím vyšší jsou náklady na přenosovou rychlost (ale ne vyšší, než je H.264/AVC ).

Závěr

Na základě obecné technologie kódování, H.264+ kombinuje inteligentní technologii analýzy s prediktivním kódováním, potlačení šumu a dlouhodobé kontroly datového toku pro realizování nižšího datového toku, který hraje významnou roli při snižování nákladů na úložiště a poskytuje vyšší návratovou hodnotu pro investice.

Kompatibilita

V současné době kompresi H.264+ podporují:
Kamery řad: WNx-2002-WI, WNx-2005, WNx-4000WNO-4006(P)WNF-6200WND-5200-7200-MH, WNP-6124
Záznamová zařízení řad: WNR-2000-Ex (Px)WxR-7700-8000, WNR-2000-4000-K1, WNR-2000-4000-K2-K4
A tyto SW: Wonderex center, Wonderex mobile, Wonderex mobile HD


[ Napsal: Petr Prokeš  |  Středa 16. Srpen 2017 | 16:00 ]

Nepřehlédněte