Цифровые системы видеонаблюдения: передача информации и алгоритмы сжатия

Алгоритм  сжатия H-263

H-263 часто используется при передаче видеоизображения по каналам связи с полосой пропускания меньше 64 кбит. С точки зрения математики алгоритм сжатия H-263 похож на JPEG, а принципиальное его отличие состоит в том, что обработке подлежат только те элементы изображения, которые изменились по сравнению с соответствующими элементами предыдущего кадра. Этот алгоритм обеспечивает высокую степень сжатия видеоизображения, но дает плохое качество, если изображение содержит движущиеся объекты. Разрешение кадра, которое обеспечивает этот алгоритм сжатия, обычно не превышает 352х288 пикселей.

Формат  сжатия Wavelet

В цифровых системах видеонаблюдения широко используется метод сжатия видео Wavelet. Последовательность действий, которую использует метод сжатия Wavelet, в целом аналогична алгоритму JPEG. Принципиальная разница состоит в способе преобразования видеосигнала: метод сжатия JPEG использует дискретно-косинусное преобразование сигнала, тогда как метод сжатия Wavelet представляет сигнал как суперпозицию конечных во времени негармонических функций – вейвлетов.

Метод сжатия Wavelet преобразует изображение по следующему алгоритму:

• Преобразование цветового пространства
• Вейвлет-преобразование
• Квантование
• Кодирование

Вейвлет-преобразование

После преобразования в цветовое пространство типа цветность/яркость  изображение обрабатывается высокочастотным  и низкочастотным фильтрами по строкам  и столбцам с последующим прореживанием. Фильтр представляет собой небольшое  «окно». Значения яркости и цветности попавших в него пикселей умножаются на заданный набор коэффициентов, а полученные значения суммируются, и «окно» сдвигается для расчета следующего значения.

В результате фильтрации вместо одного изображения размером mxn вейвлет-преобразование дает четыре изображения размером (m/2) x (n/2). Фильтрация низкочастотным фильтром по горизонтали и по вертикали дает самое высокоинформативное изображение, которое подвергается дальнейшей фильтрации (число уровней фильтрации обычно составляет от 4 до 6), тогда как результат обработки высокочастотным фильтром по горизонтали и по вертикали чаше всего отбрасывается. Изображения, полученные с применением высокочастотного фильтра по строкам и низкочастотного по столбцам или низкочастотного фильтра по строкам и высокочастотного по столбцам, квантуются и после кодирования попадают в выходной поток. 

Результатом вейвлет-преобразования, как и дискретного косинусного преобразования, является массив числовых коэффициентов. На следующем этапе происходит квантование этого массива, и близкие к нулю коэффициенты отбрасываются. Затем массив подвергается кодированию.

Преимущество метода сжатия Wavelet перед JPEG состоит в том, что Wavelet преобразует полное изображение, а не его отдельные фрагменты, и позволяет получить качественное изображение при больших (до 100) коэффициентах сжатия. При высокой степени компрессии метод сжатия Wavelet может давать искажения, имеющие вид ряби вблизи резких границ, однако такие артефакты в среднем меньше бросаются в глаза наблюдателю, чем «мозаика», создаваемая JPEG. В 2000 году вариант сжатия методом Wavelet включен в стандарт JPEG (метод сжатия JPEG-2000).

Метод сжатия Wavelet применяется для компрессии видеосигнала в цифровых устройствах Mitsubishi Electric:

• видеосервер DX-VS1UE
• цифровые видеорегистраторы DX-TL2500E
• видеорегистраторы DX-TL800E

или GE Security/Kalatel:

• сетевой видеорегистратор DSR-2000e
• цифровые видеорегистраторы DVMRe-16eZTX

Метод сжатия JPEG2000 - еще  одна реализация вейвлет-преобразования

JPEG2000 предполагает  увеличение коэффициента сжатия  по сравнению с JPEG на 30%. Этот  метод сжатия использует вейвлет-преобразование, благодаря чему характерные для JPEG блочные искажения исчезают, а коэффициент сжатия может достигать 200 (хотя при больших коэффициентах сжатия появляются артефакты, создаваемые вейвлет-преобразованием). Кроме того, метод сжатия JPEG-2000 обладает рядом других преимуществ перед JPEG.

• JPEG2000 может осуществлять сжатие как с потерями, так и без потерь. В дополнениях к JPEG2000 есть защищенный патентами режим сжатия без потерь (коэффициент сжатия до 20).
• Метод сжатия JPEG2000 устойчив к ошибкам, возникающим при передаче изображения по сети.
• Независимо от способа кодирования, который использует алгоритм сжатия JPEG2000, применяется один и тот же декодер. 
• Метод сжатия JPEG2000 предполагает, что из одного кодового потока могут быть декодированы изображения с различным пространственным разрешением (масштабируемость разрешения).
• Этот метод сжатия дает возможность обрабатывать отдельные участки изображения и сжимать изображения больших размеров.

На этапе предварительной  обработки изображение разбивается  на несколько равных блоков. Затем  в каждом блоке происходит смещение постоянной составляющей: из значений цветности для каждого пикселя  вычитается среднее значение, –  после чего смещенные значения цветности  преобразуются в систему яркость/цветность. После применения вейвлет-преобразования полученные матрицы числовых коэффициентов подвергаются квантованию. Следующий этап сжатия изображения – энтропийное кодирование – предполагает применение адаптивного арифметического кодера, а не кодирования по методу Хаффмана, как в алгоритме JPEG, за счет чего увеличивается скорость сжатия. Затем сжатый поток данных разбивается на пакеты. Именно благодаря гибкой и продуманной структуре пакетов возможно достижение целей разработки этого метода сжатия.

Форматы сжатия видео семейства MPEG

Все форматы сжатия семейства MPEG (MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, MPEG 7) используют высокую избыточность информации в  изображениях, разделенных малым  интервалом времени. Между двумя  соседними кадрами обычно изменяется только малая часть сцены –  например, происходит плавное смещение небольшого объекта на фоне фиксированного заднего плана. В этом случае полная информация о сцене сохраняется  выборочно – только для опорных  изображений. Для остальных кадров достаточно передавать разностную информацию: о положении объекта, направлении  и величине его смещения, о новых  элементах фона, открывающихся за объектом по мере его движения. Причем эти разности можно формировать  не только по сравнению с предыдущими изображениями, но и с последующими (поскольку именно в них по мере движения объекта открывается ранее скрытая часть фона).

Форматы сжатия семейства MPEG сокращают объем информации следующим  образом:

• Устраняется временная избыточность видео (учитывается только разностная информация).
• Устраняется пространственная избыточность изображений путем подавления мелких деталей сцены.
• Устраняется часть информации о цветности.
• Повышается информационная плотность результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания.

Форматы сжатия MPEG сжимают  только опорные кадры – I-кадры (Intra frame – внутренний кадр). В промежутки между ними включаются кадры, содержащие только изменения между двумя соседними I-кадрами – P-кадры (Predicted frame – прогнозируемый кадр). Для того чтобы сократить потери информации между I-кадром и P-кадром, вводятся так называемые B-кадры (Bidirectional frame – двунаправленный кадр). В них содержится информация, которая берется из предшествующего и последующего кадров.  При кодировании в форматах сжатия MPEG формируется цепочка кадров разных типов. Типичная последовательность кадров выглядит следующим образом: IBBPBBIBBPBBIBB… Соответственно, последовательность кадров в соответствии с их номерами будет воспроизводиться в следующем порядке: 1423765…

Форматы сжатия видео изображения MPEG 1 и MPEG 2

В качестве начального шага обработки изображения форматы  сжатия MPEG 1 и MPEG 2 разбивают опорные  кадры на несколько равных блоков, над которыми затем производится дискетное косинусное преобразование (DCT). По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает лучшее разрешение изображения  при более высокой скорости передачи видео данных за счет использования  новых алгоритмов сжатия и удаления избыточной информации, а также кодирования  выходного потока данных. Также формат сжатия MPEG 2 дает возможность выбора уровня сжатия за счет точности квантования.  Для видео с разрешением 352х288 пикселей формат сжатия MPEG 1 обеспечивает скорость передачи 1,2 – 3 Мбит/с, а MPEG 2 –  до 4 Мбит/с.  
 

По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обладает следующими преимуществами:

• Как и JPEG2000, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке.
• В формате сжатия MPEG 2 точность векторов движения увеличена до 1/2 пикселя.
• Пользователь может выбрать произвольную точность дискретного косинусного преобразования.
• В формат сжатия MPEG 2 включены дополнительные режимы прогнозирования.

Формат сжатия MPEG 2 использовал снятый сейчас с производства видеосервер AXIS 250S компании AXIS Communications, 16-канальный видеонакопитель VR-716 компании JVC Professional, видеорегистраторы компании FAST Video Security и многие другие устройства системы видеонаблюдения.

Формат  сжатия MPEG 4

MPEG4 использует технологию  так называемого фрактального  сжатия изображений. Фрактальное  (контурно-основанное) сжатие подразумевает  выделение из изображения контуров  и текстур объектов. Контуры представляются  в виде т.н. сплайнов (полиномиальных  функций) и кодируются опорными  точками. Текстуры могут быть  представлены в качестве коэффициентов  пространственного частотного преобразования (например, дискретного косинусного  или вейвлет-преобразования).

Диапазон скоростей  передачи данных, который поддерживает формат сжатия видео изображений MPEG 4, гораздо шире, чем в MPEG 1 и MPEG 2. Дальнейшие разработки специалистов направлены на полную замену методов обработки, используемых форматом MPEG 2. Формат сжатия видео изображений MPEG 4 поддерживает широкий набор  стандартов и значений скорости передачи данных. MPEG 4  включает в себя методы прогрессивного и чересстрочного сканирования и поддерживает произвольные значения пространственного разрешения и  скорости передачи данных в диапазоне  от 5 кбит/с до 10 Мбит/с. В MPEG 4 усовершенствован алгоритм сжатия, качество и эффективность  которого повышены при всех поддерживаемых значениях скорости передачи данных. Разработка компании JVC Professional – веб-камера VN-V25U, входящая в линию сетевых устройств V.Networks, использует для обработки видео изображений формат сжатия MPEG 4.

MPEG 7 и MPEG 21 – форматы  будущего

В октябре 1996 года группа MPEG приступила к разработке формата  сжатия MPEG 7, призванным определить универсальные механизмы описания аудио и видео информации. Этот формат получил название Multimedia Content Description Interface. В отличие от предыдущих форматов сжатия семейства MPEG, MPEG 7 описывает информацию, представленную в любой форме (в том числе в аналоговой) и не зависит от среды передачи данных. Как и его предшественники, формат сжатия MPEG 7 генерирует масштабируемую информацию в рамках одного описания.

Формат сжатия MPEG 7 использует многоуровневую структуру  описания аудио и видео информации. На высшем уровне прописываются свойства файла, такие как название, имя создателя, дата создания и т.д. На следующем уровне описания формат сжатия MPEG 7 указывает особенности сжимаемой аудио или видео информации – цвет, текстура, тон или скорость. Одной из отличительных особенностей MPEG 7 является его способность к определению типа сжимаемой информации. Если это аудио или видео файл, то он сначала сжимается с помощью алгоритмов MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, а затем описывается при помощи MPEG 7. Такая гибкость в выборе методов сжатия значительно снижает объем информации и ускоряет процесс сжатия. Основное преимущество формата сжатия MPEG 7 над его предшественниками состоит в применении уникальных дескрипторов и схем описания, которые, помимо всего прочего, делают возможным автоматическое выделение информации как по общим, так и по семантическим признакам, связанным с восприятием информации человеком. Процедура занесения в каталог и поиска данных находятся вне сферы рассмотрения этого формата сжатия.

Разработка формата  сжатия MPEG 21 - это долговременный проект, который называется "Система мультимедийных средств" (Multimedia Framework). Над разработкой этого формата сжатия эксперты начали работать в июне 2000 г. На первых этапах планировалось провести расширение, унификацию и объединение форматов MPEG 4 и MPEG 7 в единую обобщающую структуру. Подразумевалось, что она будет обеспечивать глубокую поддержку управления правами и платежными системами, а также качеством предоставляемых услуг