Vysoce účinná komprese H.265+

[ Rubrika: ]

h265+_0.pngH.265+ Úvod a nástin

V soušasné době se v oblasti bezpečnostních kamerových systémů objevují kamery s ultra vysokým rozlišením 4K. Rozlišení 4K však dosud nebylo plně nasazeno především kvůli obrovské šířce pásma a požadavkům na ukládání dat. Omezení datového toku videa s vysokým rozlišením při zachování kvalitního 4K obrazu zůstává největším problémem. Přenos videa vyrovnává kvalitu obrazu, přenosové schopnosti a požadavky na data, tj. kolik informací a jak se s nimi zachází. Proto optimalizace přenosu obrazu vyžaduje pokrok v technologii komprese videa.

Doposud byla běžně užívaná komprese H.264. Když byl tento kodek rozšířen do většiny systémů, zanedlouho byla vyvinut úspornější kodek H.264+. Dalším posunem v této kodekové řadě je komprese H.265. A opět byla vylepšena drobnými úpravami na ještě úspornější H.265+. Tento kodek používá inteligentní algoritmus, jehož kódovací technologie pochází z normy H.265 / High-Efficiency Video Coding (HEVC).

H.265+ optimalizuje stávající kodek silněji tam, kde jsou splněna určitá kritéria pro sledování videa.
Tato kritéria jsou následující: 1.) stabilní pozadí, kde se informace málokdy mění; 2.) primární zaměření na objekty, které se pohybují v této scéně; 3.) pohyblivé objekty scény se objevují jen občas; 4.) 24hodinové nepřetržité sledování, kde šum má poměrně velký dopad na kvalitu obrazu. V tomto typu prostředí testy ukazují, že H.265+ radikálně snižuje požadovaný datový tok videa s ultra vysokým rozlišením až o 67% oproti H.265, čímž se sníží požadovaná šířka pásma a požadavky na úložiště. Snížení přenosové rychlosti znamená snížení nákladů pro spotřebitele, stejně jako zvýšení účinnosti, stability a spolehlivosti veškerého hardwaru v daném systému.

A jak to funguje?

Tři klíčové body: Kódování, šum a datový tok

S ultra vysokým rozlišením a vyšší účinností přenosu jako dvou primárních cílů zlepšuje H.265+ poměr komprese založený na třech klíčových technologiích: 1.) prediktivní kódovací technologie založená na pozadí nebo referenčním snímku, 2.) digitální technologie potlačení šumu a 3.) technologie dlouhodobého řízení datového toku.

Prediktivní kódování

Prediktivní (předvídající) kódování lze rozdělit na "Predikci mezi rámci", která vytváří předpovědní model z jednoho nebo více dříve kódovaných obrazových rámců a "Predikce uvnitř snímku", kde jsou předpovědi vzorků makrobloku (procesní jednotky)  pouze pomocí informací dříve předaných makrobloků stejného rámce. Při předpovědi mezi jednotlivými snímky lze bitrate snížit kompresí pouze rozdílu rychlostí mezi referenčním rámcem a jiným rámcem. Tento referenční rámec, obvykle pozadí scény, bude obsahovat jen málo dat, pokud se pohybují pouze objekty. Naštěstí v bezpečnostních systémech zůstává pozadí bez významných změn.

Příklad: Při testu provozu jsou analyzovány tři jedinečné snímky z video zdroje. První snímek je prázdná křižovatka (T0), druhé dva (T1 a T2) obsahují pohyblivý objekt - v tomto případě automobil. První snímek je kódován jako referenční rámec; potom již nemusí být data referenčního rámce odeslána nebo uložena s každým snímkem. Tím se ulehčí dekódování sledováním pouze pohybujících se vozů, neboť nové údaje (bity) nebudou vyžadovány pro každý snímek, který zachycuje pozadí. Požadavek na bity, šířku pásma a úložiště okamžitě poklesne. V případě, kdy nemůže být zachyceno prázdné pozadí nebo referenční rámec, je alternativou kódovat dva nebo více snímků, které mohou obsahovat pohyblivý objekt. Inteligentní software může vyplňovat mezery, které uvolňují ty pohyblivé objekty s podobnými informacemi nacházejícími se v bezprostředním okolí. Datový tok tak může být snížen a zároveň zaručuje normální přehrávání pro uživatele.

Potlačení šumu

Aby byla zaručena vysoká kvalita obrazu pohyblivých objektů, kódovací modul také kóduje vizuální šum ve scéně. Při použití výše uvedených metod přediktivního kódování však inteligentní analytický algoritmus H.265+ rozlišuje mezi obrazem pozadí a pohyblivými objekty tak, aby každý mohl být kódován různými kódovacími strategiemi. 

Obraz pozadí je zakódován s vysokou kompresí, aby potlačil šum a použil data na nové nebo pohybující se objekty. Protože je přenos dat omezen, celkový datový tok se značně sníží v porovnání s konvenční kompresí videa.

Dlouhodobé řízení datového toku

Dlouhodobý průměrný datový tok vypočítává sazby za určité časové období (obvykle 24 hodin). Při průměrné regulaci datového toku může kamera produkovat vyšší přenosové rychlosti v aktivních hodinách a současně ho snížit v nečinných hodinách - např. od půlnoci do 6 hodin venku nebo od 20 hodin do 7 hodin v kanceláři. V případě režimu konstantního datového toku pro kódování H.265 se bitrate trochu liší, ale zůstává blízko předem definované maximálního datového toku. Pomocí H.265+ může být průměrná přenosová rychlost nižší než polovina maximální přenosové rychlosti. Kvalita obrazu může být stále optimalizována, protože technologie H.265+ plně využívá všech bitů.

V režimu s proměnlivou přenosovou rychlostí se aktuální přenosová rychlost liší podle aktivity scény, zatímco kvalita obrazu zůstává stabilní. Při použití H.265+ může mít změna datového toku dva kroky: 1.) pokud je nastavená průměrná hodnota datového toku omezena, kódování H.265+ může poskytnout lepší kvalitu obrazu v rámci omezeného datového toku; 2.) pokud je nakonfigurovaná průměrná hodnota datového toku pro sledovanou scénu vysoká, skutečný průměrný bitový výkon (skutečné množství použitých dat) může být nižší než předdefinovaná hodnota, což snižuje celkový požadavek na ukládání dat.

24-hodinový reálný test

Byl proveden test snižování přenosu dat, založený na kamerách s rozlišením 1080p při 25 fps. Scéna byla malá kavárna pod krmením pro sledování videa po dobu 24 hodin.

Okamžité porovnání datového toku dvou scén

Testování stejné scény - zaneprázdněná kavárna - v různých dnech, ukázala, že rozdíl mezi kodeky je méně významný, protože počet pohyblivých objektů ve scéně je vysoký. Čísla jsou nicméně pozoruhodná. Průměrná přenosová rychlost mezi H.264 a H.265+ klesla v podstatě o 83%. Poměr mezi standardním H.265 a kodekem H.265+ se snížil o 67% - menší rozdíl, ale přesto je významný, když se aplikuje na systémy sledování v reálném světě.

Velikost souboru 24-hodinového záznamu v různých scénách

V 24hodinovém porovnání velikosti souborů ve dvou různých scénářích bylo jasné významné snížení. Scéna jedna byla kavárna, kde kodek H.264 uložil cca 22,7GB a H.265 cca 11,8GB. Pozoruhodné je, H.265+ dosahuje průměrně pouze 3,9GB. Druhá scéna byla dopravní křižovatka. Zde mělo 24hodinové porovnání velikosti souborů podobné výsledky. H.264 cca 36,4GB, H.265 cca 21,1GB a H.265+ zprůměrovalo nejnižší hodnotu při pouhých 7,5GB.
Zde je porovnání v procentech. Při monitorování kavárny klesla velikost souboru mezi H.265 a H.265+ o 66,4%, zatímco mezi H.264 a H.265+ se snížila o 82,5%. Při sledování křižovatky klesla velikost souboru mezi H.265 a H.265+ o 64,5%, zatímco mezi H.264 a H.265+ se snížila o 79,4%.

Výhody: Nižší šířka pásma, úspora úložiště, kvalitní zobrazování a rozšířené analýzy

Za prvé, H.265+ nejlépe využívá každý bit, takže rozlišení HD a ultra-HD vypadá jasně a ostře. Také, protože H.265+ zlepšuje přenos obrazu, cílové objekty budou mít více pixelů, takže použití VCA bude pravděpodobně přesnější. Dále síť využívající protokol H.265+ má k dispozici v každém okamžiku více šířky pásma. Více šířky pásma znamená lepší fungování systému. V reálném vyjádření, na 20Mb síti může kodek H.264 pojmout pět kamer. H.265 dvojnásobek, takže 10 kamer. A H.265+ další dvojnásobek, takže v jedné síti může být umístěno 20 nebo více kamer. Proto bude H.265+ nejlepší volbou pro uživatele, kteří rozšiřují instalaci a pohybují se současně na rozlišení 4K.
Uživatelé dále snižují náklady a další zdroje, které se podílejí na ukládání dat. Příklad: když je v síti připojeno osm 2Mpx kamer a záznamové zařízení obsahuje pět pevných disků 5TB, kapacity záznamu se značně liší. Systém, který běží na platformě H.264, naplní úložiště přibližně za dva týdny. H.265 bude trochu lepší a naplní ho přibližně po měsíci. H.265+ však bude pokračovat v nahrávání až celé dva měsíce. Při zvažování těchto výsledků pro delší záznam na měsíce až roky H.265+ výrazně snižuje výdaje na rozpočet a přidělení hardwaru. Zatímco úspora H.265+ může být zpočátku malá, přínosy se ukážou v dlouhodobém měřítku.

Široké využití

Aplikace se rozšiřují alespoň tak jako v případě předchozích kodeků. Nicméně za podmínek, jako je nestabilní síť nebo omezená šířka pásma nebo kde jsou zákazníci povinni uchovávat data po delší dobu, bude H.265+ nejúspěšnější. Navíc tento kodek může být integrován do komplexních bezpečnostních řešení pro specifické funkce - 4K, panoramatické a kamery do výbušného prostředí, kamery s vysokou citlivostí a anti korozní jsou jen několika příklady.
Stejně jako u všech nových technologií, upgrade ze současných nebo starších standardů vyžaduje investování času a zdrojů. U H.265 se migrace zrychluje, především v nově navržených systémech, protože modernizace stávajících systémů H.264 pouze zvyšuje výdaje. H.265 bude pro systémové integrátory a koncové uživatele ještě žádoucí, neboť jeho snížení přenosové rychlosti umožňuje nasazení vyššího rozlišení.

Shrnutí

Kodek H.265+ optimalizuje technologii kódování H.265 / HEVC, splňuje standardy komprese a pracuje s převážnou většinou hardwaru a softwaru navrženého pro použití H.265. S funkcí H.265+ zůstává kvalita videa prakticky shodná s kvalitou H.265 / HEVC, přičemž radikálně snižuje požadavky na přenosovou šířku pásma a kapacitu pro ukládání dat. Kodek H.265+ bude sloužit k rozšíření vysokého rozlišení v kamerových bezpečnostních systémech, jako jsou například 8 a 12Mpx. Kdekoli se tento nový kodek uplatní, sníží náklady na ukládání, maximálně využije investice a rozšíří využití bezpečnostního videa 4K a ultra-HD.

Kopatibilita

V současnosti kompresi H.265+ podporují tyto výrobky:
- Kamery řady WNx-2005
- NVR řady WNR-2000-4000-K1, WNR-2000-4000-K2/K4


[ Napsal: Petr Prokeš  |  Neděle 24. Září 2017 | 19:16 ]