Komprese H.265+

Komprese H.265+ zahajuje éru Technologie 4K

H265_1

Představení komprese H.265+

V roce 2017 se začínáme setkávat s bezpečnostními kamerami s rozlišením 4K (Utra HD) také v oblasti SECURITY.  Bohužel v bezpečnostních instalacích rozlišení 4K zatím nedosahuje velkého uplatnění a to zejména z důvodu požadavků na obrovské přenosy a ukládání dat. Limitováný datový tok při zachování vysoké obrazové kvality, zůstává největším problémem kamer 4K a  jeho řešení bude rozhodovat o osudu kamerových systémů s ULTRA vysokým rozlišením. Celý pokrok v optimalizaci přenosu maximální kvality obrazu, přenosových tras a uchování dat  spočívá ve vývoji a zdokonalení kompresní technologie videa.

Do současnosti byla komprese H.264 bežným průmyslovým standardem v oblasti CCTV. V průběhu uplynulých let našla komprese H.264 široké uplatnění v celé oblasti bezpečnostních monitorovacích systémů. Během této doby firma Hikvision vyvinula vlastní kompresní algoritmus H.264+, který se stal nejbližším přechodným krokem ke kompresi H.265. V současné době se komprese H.265 stává běžným standardem napříč celým spektrem produktů CCTV tak jako to bylo u komprese H.264 v minulosti. Ovšem firma  Hikvision, jako lídr na poli kamerových systémů, posunula tuto kompresní technologii o krok vpřed a to na úroveň H.265+. Komprese H.265+ vychází z inteligentního algoritmu jehož kódovací technologie vychází z komprese H.265 (standard Kódovaného Videa s Vyskou Účinností – HEVC)

Komprese H.265+ nejvýrazněji optimalizuje stávající kodek H.265, pokud jsou splněny specifické podmínky na monitorovaný objekt nebo prostor. Tato kritéria zahrnují:

  • Stabilní pozadí, kde se informace mění velice zřídka
  • Primární zaměření na objekty, které se pohybují po této stagnující scéně
  • Interval během kterého se objekty pohybují jen příležitostně, je podstatný
  • 24-hodinový non-stop dohled, kde vizuální šum má relativně velký dopad na kvalitu obrazu

Při splnění těchto podmínek se v praxi ukázalo, že komprese H.265+ dokáže snížit požadovaný datový tok 4K videa až o 67% ve srovnání s H.265, čímž se sníží požadovaná šířka pásma a náklady na kapacitu uložiště.

Tři klíčové vlastnosti: Kodování, Šum a Přenosová rychlost resp. datový tok

S Ultra-HD rozlišením a vyšší efektivitou přenosu vylepšuje H.265+ kompresní poměr

na základě třech klíčových technologií:

  • Prediktivní technologie kódování na základě pozadí a nebo referenčního snímku.
  • Digitální technologie redukce šumu
  • Technologie dlouhodobé kontroly přenosové rychlosti (bitrate)

Prediktivní kódování

Prediktivní kódování může být rozděleno na “Inter-frame prediction“, kde je vytvořen předpokládaný modelu z jednoho nebo více dříve kódovaných obrazů a na “Intra-frame prediction,” kde vzorky zpracovatelské jednotky jsou předpovězeny použitím pouze informace o dříve přenášené zpracovatelské jednotky stejného snímku. S inter-snímkovou předpovědí, může být datový tok snížován kompresí rozdílu mezi referenčním snímkem a jakýmkoli jiným snímkem. Tento referenční snímek, většinou pozadí scény, bude obsahovat pouze pár pohybujících se objektů ne-li pouze jeden nebo žádný. Naštěstí ve většině projektů bezpečnostního sledování zůstává pozadí neměnné.

Příklad:

Ve skutečném testu sledování křižovatky, tři jedinečné snímky jsou analyzovány z jedné kamery. První snímek je prázdná křižovatka (T0), druhé dva (T1 a T2) zahrnují pohybujícího se objektu v tomto případě jde o automobil. První obraz bude dekódován jako referenční snímek; poté data z referenčního snímku již není třeba odesílat s každým dalším snímkem. To umožňuje monitorovacímu systému sledovat pouze pohybující se vozidla a namusí ukládat data zachycující pozadí. Požadavky na data, šířku pásma a úložiště okamžitě klesají. V případě, kdy nelze zachytit jen prázdné pozadí nebo referenční snímek, je alternativou kódování dvou nebo více snímků, které by mohly zahrnovat pohybující se objekt. Inteligentní software může vyplnit mezery, které jsou zakryty těmito pohybujících se objekty snímky s podobnou informací nalezených v bezprostředním okolí daného prostoru. Tímto může být datový tok snížen na takovou úroveň, že běžnému uživateli současně zajistí normální přehrávání videosekvencí.

Potlačení šumu

Aby byla zajištěna vysoká kvalita pohybujících se objektů, modul kódování také kóduje vizuální šum ve scéně. Nicméně, použitím metody prediktivního kódování uvedenou výše, algoritmus inteligentní analýzy komprese H.265 rozlišuje mezi obrázky pozadí a obrázky s pohybujícími se objekty tak, že každý může být zakódován s různou strategií kódování.

Obrázek s pozadím scény je kódován s vysokou kompresí za účelem potlačení šumu a používá data do nové snímku nebo snímku s pohybujícími se objekty. Vzhledem k tomu, že přenos dat je omezen, celkový datový tok (přenosová rychlost) je podstatně utlumen v porovnání s konvenční video kompresí.

Dlouhodobá kontrola datového toku

Hikvision představil koncept, který nazývá „dlouhodobá kontrola datového toku“ pro plné využití dat z kamery. Tento datový tok počítá hodnoty během specifikovaného časového intervalu (obvykle 24hodin). S touto průměrnou kontrolou datového toku může jakákoli kamera Hikvision přiřadit vyšší datový tok pro videosekvence s velkým pohybe na scéně a zároveň snížit datový tok pro scény s minimálním pohybem (statické scény kde se nic neděje např. venku mezi půlnocí a 6 ráno nebo v kanceláři mezi 8 večer až 7 ráno).   V případě H.265 datový tok jen slabě kolísá kolem předdefinované maximální hodnoty zatímco použitím H.265+ může být výsledný průměrný datový tok až o polovinu nižší při zachování stejně vysoké obrazové kvality.  Kvalita obrazu je ještě optimalizována protože technologie H.265 + plně využívá každý bit.

    V režimu variabilního datového toku, okamžitý datový tok se mění v závislosti na aktivitě scény, zatímco kvalita obrazu zůstává stabilní. Použitím H.265 +, změna datového toku se může projevit dvěma způsoby:

  • v případě, že nastavený průměrný datový tok je omezen, komprese H.265+ může poskytnout lepší kvalitu obrazu i při omezeném datového toku;
  • v případě, že nastavený průměrný datový tok je příliš vysoký pro monitorovanou scénu, skutečný průměrný datový tok resp. skutečné množství používaných dat může být nižší, než je předem nastavená hodnota, díky snižování celkového požadavku na uložiště dat.

Reálné 24-hodinové testování

Test redukce datového toku byl proveden na kamerách s rozlišením 1080p při 25 snímcích za vteřinu. Jako scéna nám posloužila malá kavárna monitorovaná po dobu 24 hodin.

Okamžité porovnání datového toku mezi dvěma scénami

Při testu stejné kavárny v různých časových úsecích ukázal, že rozdíl mezi kodeky H.264 a H.265+ se zvětšuje s přibývajícím počtem pohybujících se objektů ve scéně. Nicméně čísla jsou velmi zajímavá. Průměrný datový tok mezi kompresí H.264 a kompresí H.265+ společnosti Hikvision se snížil o podstatných 83%. Rozdíl mezi kompresí H.265 a H265+ je snížení o 67% což je menší rozdíl, ale stále velice znatelný.

Tabulka porovnání – kavárna

Velikost 24 hodinového souboru při různých scénách

Při porovnání velikosti souborů dvou odlišných scén bylo znatelné drastické snížení datového toku respektive uložených dat. První scéna s kavárnou dopadla takto:

Kodek H.264 – průměrná velikost dat  22,7GB

Kodek H.265  – průměrná velikost dat 11,8GB

Kodek H.265+ – průměrná velikost dat 3,9GB

Druhé scéna byla křižovatka a výsledky dopadly takto:

Kodek H.264 – průměrná velikost dat  36,4GB

Kodek H.265  – průměrná velikost dat 21,2GB

Kodek H.265+ – průměrná velikost dat 7,5GB

Vysledkem je, že H.265 + umožňuje co nejlépe využít každý bit, takže obraz HD rozlišení a ultra-HD rozlišení vypadá jako zcela jasný a maximálně ostrý. Zlepšuje přenos obrazu, cílové objekty mají větší počet pixelů, takže použití VCA bude pravděpodobně stále přesnější a přesnější. Dále síť využívající H.265 + má větší šířku pásma k dispozici v jakémkoli okamžiku. Větší šířka pásma znamená, že lépe fungující kamerový systém kdekoli. V reálu to znamená, že při datovém toku  (šířce pásma) 20Mb, H.264 kodek umí zpracovat 5 kamer. H.265 toto číslo zdvojnásobí tzn. 10 kamer. Ale H.265+ zdvojnásobuje i to, tím že zpracuje 20 a více kamer na jedné síti. Z tohoto důvodu, H.265 + bude tou nejlepší volbou pro uživatele uvažující o možném rozšíření celé instalace a současném zvýšení kvality až na 4K rozlišení.