Алекс СВАНСОН (Alex Swanson), руководитель инженерно-конструкторского отдела компании IndigoVision, рассказывает о том, как новейшие HD-видеокамеры с малым размером потока данных способствуют массовому применению HD в системах видеонаблюдения.
За последнее десятилетие в индустрии систем видеонаблюдения произошел сдвиг от аналоговых систем к сетевым цифровым решениям. В ближайшие несколько лет отрасль систем безопасности ожидает период массового внедрения IP-камер высокой четкости (HD) – этап, который уже прошла бытовая электроника.
Но для повсеместного использования IP-камер стандарта HD в системах безопасности необходимо решить ряд вопросов, связанных с большим объемом передаваемых данных и системами их хранения. Одним из новейших решений таких проблем стал выпуск IP-камер стандарта HD, генерирующих малый размер потока данных.
Преимущества IP-камер высокой четкости
Все преимущества IP-камер высокой четкости озвучивались уже много раз, но, обобщив, можно указать три основные области, значительно выигрывающие от внедрения таких решений:
Общее наблюдение. Одна мегапиксельная HD-камера может заменить несколько камер стандарта 4SIF, тем самым снижая стоимость системы. Такая камера может отображать более детальную картинку в том же поле обзора или более широкое поле обзора при том же уровне детализации.
Сбор доказательств. Множество существующих аналоговых систем видеонаблюдения попросту не дают достаточного разрешения или качества для того, чтобы видео могло служить уликой. Мегапиксельные камеры решают множество подобных вопросов качества/разрешения. Они идеально подходят для тех приложений, в которых системы используются для распознавания и регистрации лиц, номеров на автомобилях или объектов.
Разрешение: SIF 4SIF HD
Цифровое увеличение и панорамный обзор картинки. Мегапиксельные HD-камеры быстрее осуществляют цифровое увеличение картинки, которая отображается более детально, чем на аналоговых камерах, и при этом продолжают записывать всю картинку целиком для ее последующего анализа. Такие функции обеспечивают отличную производительность, и они более надежны, чем механические поворотные камеры с трансфокатором.
Любые системы видеонаблюдения могут выиграть от внедрения HD-технологий, но в настоящее время типовыми областями применения IP-камер высокой четкости являются магазины, банки, казино, автостоянки, входы в здания, военные объекты и улицы города.
Технологические сложности
Для массового использования мегапиксельных камер стандарта HD необходимо преодолеть ряд существующих технологических сложностей.
1. Объектив. Для обеспечения максимального качества картинки мегапиксельным камерам требуются объективы с более высоким разрешением по сравнению с объективами обычных камер. Эти объективы существуют уже давно, но достаточно дороги, хотя цена уменьшится с ростом объемов при массовом применении.
2. Матрица. В мегапиксельных камерах используются те же матрицы CMOS, что и в цифровых фотокамерах, тогда как в аналоговых камерах обычно используются ПЗС-матрицы. Ситуация, вероятно, изменится с внедрением матриц из HD-ТВ/видеоиндустрии. Более высокая плотность пикселей на матрице тех же размеров означает, что на каждый пиксель попадает меньше света. Таким образом, каждый пиксель имеет меньшую чувствительность – ему потребуется больше света, а «шум» матрицы будет более заметен, так как в сигнале он будет составлять более высокий процент. Именно поэтому IP-камеры высокой четкости первого поколения, как правило, обладали более низкими световыми характеристиками по сравнению с аналоговыми камерами. Тем не менее технологии производства матриц быстро меняются, ведь в этой области концентрируется значительный исследовательский потенциал.
3. Сжатие видео. Это, возможно, наиболее важный учитываемый фактор ввиду его влияния на пропускную способность сети и требования к системе хранения данных. Мегапиксельные HD-камеры вряд ли будут использоваться массово до тех пор, пока не появится достаточно моделей камер, имеющих малый выходной поток видеоданных. Сейчас мы наблюдаем начало такого процесса: появились IP-камеры высокой четкости с превосходным сжатием сигнала и, следовательно, со значительно меньшими потоками передаваемых данных.
Сжатие видео – масштаб проблемы
Для обеспечения минимально возможного потока передачи данных необходимо использовать в камерах технологию сжатия H.264
H.264 – это новейший стандарт видеокодека (компрессор и декомпрессор), преемник успешных видеостандартов MPEG-2 и MPEG-4, обеспечивающий как улучшение качества, так и сжатия видео. Множество современных одно- и двухмегапиксельных камер используют сжатие MPEG-4, результатом чего является увеличение потока видеоданных. Для массового использования стандарта HD в видеонаблюдении с обеспечением минимально возможного потока данных необходимо внедрять в камеры технологию сжатия H.264. Вместе с тем не все реализации стандарта H.264 обеспечивают качественное сжатие.
Объемы потоков данных у камер различных производителей значительно варьируются, даже при сравнении камер, использующих H.264. В таблице ниже описываются типовые потоки данных для одиночной одномегапиксельной камеры, отслеживающей такой достаточно статичный вид, как, например, вход в здание:
Колоссальный разрыв в производительности существенно влияет на разницу в стоимости HD-решений для видеонаблюдения. Использование камер с потоками данных до 1 Мбит/с означает, что IP-камеры высокой четкости можно использовать в стандартных сетях и со стандартными системами хранения данных. Кроме того, для ежедневного применения в системах видеонаблюдения они являются эффективными и с точки зрения затрат.
Таким образом, системным интеграторам и конечным пользователям очень важно точно знать объем передаваемых данных и требования к объему хранилищ для отдельных IP-камер высокой четкости для того, чтобы полностью осознавать получаемые характеристики и возможные расходы. Вместе с тем в некоторых случаях реальные генерируемые камерами потоки данных настолько велики, что неудивительно, что их значения зачастую скрыты и их трудно определить. Рассмотрим типовое техническое описание 1,3-мегапиксельной камеры одного из основных производителей. Там указано, что поддерживаемая частота кадров камеры – до 30 кадров/с. Тем не менее нигде не упоминается о том, насколько хорошо отрабатывает алгоритм сжатия – т. е. не указан типовой размер потока данных и требуемый для записи потока с этой камеры объем хранилища.
Некоторые производители вынуждены использовать локальные хранилища из-за того, что поток данных с их IP-камер высокой четкости такой, что его нельзя штатно в реальном времени транслировать по сети. Это несколько нивелирует преимущества распределенной и масштабируемой сети IP-видео. Устранив проблему с размером потока, интеграторы могут сделать выбор в пользу действительно распределенной архитектуры, разместив хранилище там, где оно должно было бы быть с точки зрения рационального проектирования системы, будь то центральное размещение, вблизи от камеры, или отказоустойчивая конфигурация с резервированием, сочетающая в себе оба решения.
Проектирование IP-камеры высокой четкости с малым потоком данных
Таким образом, массовое применение видеонаблюдения высокой четкости завязано на возможности разработки IP-камер HD-стандарта с малым потоком данных. Три основные составляющие такой камеры:
1. Применение камеры, использующей только IP-технологию.
2. Отличная реализация H.264.
3. Выделенная аппаратная архитектура.
Камеры, использующие только IP-технологию
Камеры, использующие только IP-технологию, полностью устраняют любой аналоговый сигнал, подключая цифровой процессор обработки сигналов, присутствующий в любых аналоговых камерах, непосредственно к микросхеме компрессора. Такое решение позволяет исключить любые дополнительные шумы в сигнале.
Сжатие H.264
В современных IP-камерах высокой четкости используются три распространенных стандарта сжатия видео: MJPEG, MPEG-4 и H.264.
Сжатие видео проходит с помощью двух типов кадров:
I-кадры, также называются индексными или ключевыми кадрами, содержат все изображение.
P-кадры, содержат только информацию об отличиях от предыдущего кадра.
В MJPEG используются только I-кадры, а в MPEG-4 и H.264 используется сочетание I-кадров и P-кадров, что, следовательно, дает значительно меньший объем данных, чем в MJPEG. Для H.264 требуется до 50% меньше полосы пропускания, чем MPEG-4 для передачи изображения того же качества, поэтому именно его выбрали стандартом сжатия для высокопроизводительных IP-камер.
Стандарт H.264 определяет набор дополнительных инструментов, которые можно использовать для сжатия видео. Совместимый декодер должен иметь и поддерживать каждый из инструментов, а вот в совместимом решении для кодирования видео можно выбирать, какие инструменты использовать. Это значит, что решения по кодированию видео от различных поставщиков могут значительно различаться – некоторые сжимают поток хорошо, прочие – плохо.
Для определения того, какую информацию передавать в P-кадре, необходимо провести поиск движения на каждом кадре. Качество сжатия зависит от того, насколько хорошо и качественно проведен этот поиск. Ограничением в таком поиске является доступная вычислительная мощность камеры, что еще больше дает о себе знать в случае с HD-разрешением при максимальной частоте кадров.
Сравнивая лучшие решения для кодирования видео с плохими решениями, можно отметить следующие негативные черты последних:
Гораздо больший объем передаваемых данных для видео хорошего качества.
Увеличение потока данных во время интенсивных перемещений в кадре.
Пропущенные кадры.
Видимые артефакты (квадраты) или размытость видео.
Аппаратная архитектура
Ввиду значительных вычислительных потребностей IP-камеры высокой четкости, использующей H.264, важно, чтобы механизм сжатия реализовывался в специализированных аппаратных средствах, таких как логическая матрица, программируемая пользователем (Field Programmable Gate Array - FPGA). При таком типе конструкции можно реализовать HD-сжатие, гарантирующее отсутствие пропущенных кадров и малый размер потока видео.
Выводы
Использование HD-мегапиксельных IP-камер в системах видеонаблюдения действительно дает преимущества. Вместе с тем, чтобы перейти от их нынешнего использования в первую очередь в специализированных областях к повседневному использованию, необходимы IP-камеры высокой четкости с наилучшими технологиями сжатия и малым размером потока данных.