H.265+ ведёт видеонаблюдение в эру 4К

Не так давно камеры ультравысокой четкости с разрешением 4K начали использовать в индустрии безопасности. Но 4K так и не приобрел широкую популярность из-за больших затрат трафика и объёмов данных. Проблема ограничения битрейта ultraHD с сохранением высокого качества видео остаётся самой большой проблемой 4К-формата, а ее решение станет судьбоносным в использования 4К-видео в сфере безопасности. Передача видео зависит от баланса между качеством изображения, требованиями к трафику и объемами данных. На сегодняшний день оптимальная передача изображений сводится к достижениям в области видеосжатия.

До сих пор типичным для отрасли стандартом был кодек Н.264. Когда кодек H.264 нашел широкое применение, Hikvision разработал собственный, совместимый с ним алгоритм следующего уровня - Н.264+. Очередной шаг - кодек Н.265 - сейчас стоит на пороге широкого внедрения в отрасль. И в очередной раз Hikvision продвигает технологию сжатия до дальнейшего уровня - H.265+. Этот кодек работает используя умные алгоритмы, технология кодирования которых родилась от стандарта Н.265/HEVC (High Efficiency Video Coding).


H.265+ оптимизирует существующий кодек наилучшим образом там, где используются специфические для видеонаблюдения критерии:

  • статичный фон;

  • первоочередную фокусировку на объектах, движущихся на статичном фоне;

  • отрезки времени, когда в кадре редко появляются движущиеся объекты;

  • 24-часовое нон-стоп наблюдение, из-за которого визуальный шум оказывает немалое влияние на качество видео .

Испытания показывают, что Н.265+ значительно снижает требуемый битрейт UHD-видеонаблюдения - до 67% по сравнению с Н.265, уменьшая нагрузку на сеть и нужное место на жестких дисках. Снижение битрейта в свою очередь уменьшает затраты пользователей, а также улучшает эффективность, стабильность и надежность всего оборудования в отдельно взятой системе безопасности.

 

Три основы - кодирование,  шум и скорость передачи

С UHD-разрешением и высокой эффективностью передачи в качестве двух основных целей Н.265+ улучшает коэффициент сжатия, базируясь на трех ключевых технологиях:

1. Технологии предиктивного кодирования, основанной на изменениях фона кадра.

2. Технологии снижения цифрового шума.

3. Технологии контроля битрейта в течение длительного времени.

 

Предиктивное кодирование

Предиктивное кодирование можно разделить на “внутрикадровое прогнозирование”, создающее модель из одного или нескольких обработанных предыдущих кадров, и "внекадровое прогнозирование", где модели блока обработки строятся с использованием переданных раньше макроблоков того же кадра. С внутрикадровым прогнозированием битрейт можно снизить с помощью сжатия только отличающихся от образца частей кадров. Этот образец - кадр с фоном снимаемой сцены - будет содержать очень мало движущихся объектов. К счастью, в сфере безопасности фон, в основном, статичен.

 

Подавление шума

Для того, чтобы обеспечить высокое качество изображения движущихся объектов модуль кодирования обрабатывает и визуальный шум. Используя способ предиктивного кодирования, алгоритм умного анализа в кодеке H.265+ различает движущиеся части изображения и статичный фон, позволяя кодировать их по-разному.

Фоновое изображение кодируется с высокой степенью компрессии, для того чтобы подавить шумы и сэкономить место для движущихся объектов. С такими ограничениями к передаче данных общий битрейт существенно ниже в сравнении с традиционными методами видеосжатия.

 

Управление длительным битрейтом

Hikvision представила концепцию под названием "Долгосрочный средний битрейт" для использования данных видеопотока в полной мере. Долгосрочный средний битрейт вычисляет нагрузку за определенный период времени (обычно 24 часа). Благодаря управлению средним битрейтом камера может назначать высокую скорости передачи во время интенсивной работы, сокращая ее в часы простоя, например, с 00:00 до 06:00 на улице, или с 8:00 до 7:00 в офисе. В случае режима постоянного битрейта для кодирования H.265, скорость передачи немного изменяется, но остается около предопределенного максимального значения битрейта. При использовании H.265+ средний битрейт может составлять половину от максимального битрейта. Качество изображения все еще можно оптимизировать, поскольку технология H.265+ полностью использует каждый бит.

В режиме переменного битрейта мгновенный битрейт изменяется в зависимости от активности сцены, в то время как качество изображения остается постоянным. При использовании H.265+ изменение скорости передачи битов может осуществляться двумя способами:

  • если сконфигурированное среднее значение битрейта ограничено, кодирование H.265+ может обеспечить лучшее качество изображения в пределах ограниченной скорости передачи;

  • если сконфигурированное среднее значение битрейта является высоким для отслеживаемой сцены, фактический объем используемых данных может быть ниже, чем предопределенное значение, уменьшая общее требование к хранению данных.

 

24-часовое тестирование в реальном времени

Был проведен тест на снижение скорости передачи битов на основе камер с разрешением 1080 px со скоростью 25 кадров в секунду. Съемка велась в небольшим кафе и на перекрестке с высоким трафиком в течение 24 часов.

 

Сравнение мгновенного битрейта между двумя сценами

Тестирование одной и той же сцены в оживленном кафе в разное время суток показало, что разница в скорости между кодеками менее значительна, когда число движущихся объектов в сцене увеличивается. Тем не менее, разница в цифрах все еще заметна. Средний битрейт между H.264 и H.265+ Hikvision уменьшился на 83%. Скорость между стандартным H.265 и кодеком H.265+ Hikvision уменьшилась на 67% - меньшая разница, но все еще значительная при применении к системам реального мира.

 

Размер 24-часового файла в разных сценах

Размеры файлов 24-часового видео двух разных сцен показывали резкое сокращение на Н.265+. Первая сцена была кафе, где кодек H.264 давал в среднем 22,7 Гб, а H.265 - в среднем 11,8 Гб. Стоит отметить, что H.265+ составлял в среднем всего 3,9 Гб. Вторую сцену снимали на перекрестке. Здесь 24-часовое сравнение размера файла дало аналогичные результаты. H.264 - в среднем 36,4 Гб, H.265 - в среднем 21,1 Гб, а H.265+ снова показал самый низкий средний битрейт - всего лишь на 7,5 Гб.

Вот эти цифры в процентах. В сценарии мониторинга кафе скорость 24-часового файла между H.265 и Hikvision H.265+ уменьшилась на 66,4%, а между H.264 и Hikvision H.265+ - на 82,5%. Для наблюдения за перекрестком размер 24-часового файла  между H.265 и Hikvision H.265+ уменьшился на 64,5%, тогда как размер между H.264 и Hikvision H.265+ уменьшился на 79,4%.

 

Преимущества: улучшенная пропускная способность, хранение, визуализация и VCA

Во-первых, H.265+ наиболее эффективно использует каждый бит, поэтому разрешения HD и ultraHD выглядят максимально четкими, резкими и сфокусированными. Из-за улучшения передачи изображения целевые объекты будут иметь больше пикселей, поэтому использование VCA, вероятно, станет более тщательным и точным. Сеть, использующая H.265+, имеет большую пропускную способность, доступную в любой момент времени. Чем больше пропускная способность, тем лучше работает система. В реальном применении в широкополосной сети на 20 Мбит кодек H.264 может вмещать пять камер. H.265 удваивает это, неся нагрузку десяти камер. Но H.265+ вмещает двадцать и более камер в одну сеть и станет лучшим вариантом для пользователей, расширяющих установку и переходящих одновременно на 4K.

 

Использование повсюду

В условиях нестабильной сети, ограниченной полосы пропускания, или когда заказчикам требуется хранить данные в течение длительного времени применение H.265+ будет наиболее эффективным. Кроме того, этот кодек можно интегрировать в комплексные решения безопасности для конкретных функций - 4K, Panoramic, а также во взрывозащищенные камеры, продукты с ультранизким освещением и антикоррозийные продукты. Как и любое новое технологическое усовершенствование, обновление в масштабе всей отрасли от существующих или устаревших стандартов требует времени и ресурсов. Для H.265 миграция ускоряется, прежде всего, в новых системах, поскольку модернизация существующих систем на базе H.264 только увеличивает расходы. H.265 станет более желательным для системных интеграторов и конечных пользователей, поскольку его уменьшенные битрейты дают высокое разрешение, а изображения получаются более четкими. Кроме того, целевые объекты могут быть изолированы и расширены с большей ясностью, и использованы более точные VCA.

 

Подводя итоги

Кодек H.256+ Hikvision оптимизирует технологию кодирования H.265 / HEVC, соответствует ее стандартам сжатия и работает с подавляющим большинством аппаратного и программного обеспечения, предназначенного для использования H.265. При использовании H.265+ качество видео остается практически таким же, как и у H.265 / HEVC, одновременно радикально снижая требования к пропускной способности и емкости памяти. Кодек H.265+ будет способствовать расширению применения разрешений ultraHD в системах видеонаблюдения, таких как 8 Mp и 12 Mp устройства. В любом случае этот новый кодек сократит расходы на хранение, максимально эффективно использует инвестиции в видеонаблюдение и расширит использование видео  4K и ultraHD в отрасли безопасности.