Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии
Глаз человека более чувствителен к разрешению по горизонтали, чем в вертикальном направлении, и, вероятно, поэтому большинство производителей цифровых видеорегистраторов предпочитают запись полями. Впрочем, в некоторых случаях вертикальное разрешение для нас оказывается важным, и тогда следует вести запись полными кадрами. А в некоторых цифровых видеорегистраторах возможна только запись полями, что ограничивает нас в выборе.
Рис. 9.18. Изображение, на котором зафиксирован реальный похититель, экспортированное в формате BMP, (слева) и детализация полного кадра (вверху) и формата CIF (внизу).
Вышеописанный эффект чересстрочной «гребенки» проявляется в основном при использовании сжатия изображения JPEG или Wavelet, то есть без межкадрового сжатия когда телевизионные поля обрабатываются как отдельные статичные изображения.
Однако, если применяется сжатие видеоизображения, то есть присутствует межкадровое сжатие, (например, семейство MPEG и Н.26х), то эффект чересстрочной «гребенки» частично компенсируется в процессе вычисления векторов предсказания движения и будет не так сильно заметен.
Все наши рассуждения до сих пор были применимы к так называемому полнокадровому разрешению. Но существуют стандарты сжатия изображения, которые используют в 4 раза меньшее количество пикселов (то есть 352x288 или 352x240 пикселов), чем содержится в полном кадре. Такой формат кадра обычно называется CIF (Общий формат обмена видеоданными, Common Interchange Format) и, как правило, используется стандартами сжатия MPEG-1 и Н.261. Это делается для того, чтобы уменьшить поток данных до приемлемого для видеоконференций уровня, который сопоставим по качеству изображения с VHS. Когда речь идет о разрешении систем видеонаблюдения, использующих сжатие MPEG-1, Н.261 с форматом кадра CIF, все вышеприведенные вычисления будут применимы и в этом случае, но их нужно будет разделить пополам. Таким образом, эквивалентным аналоговым разрешением для формата CIF будет примерно 220 ТВ-линий. Формат CIF содержит в четыре раза меньше пикселов, чем полный кадр в рекомендации ITU-601 (в два раза меньше пикселов по вертикали и по горизонтали). Для многих областей применения качества CIF будет вполне достаточно, а скорость обновления кадров при записи и передаче возрастает. Это будет особенно полезно при организации видеоконференций, для которых изначально и создавался этот формат. Разрешение формата CIF до сжатия сопоставимо с разрешением аналогового видео VHS (240 ТВ-линий). Это необходимо учитывать при проектировании систем видеонаблюдения, где требуется распознавание лица и автомобильных номеров. Иногда формат полного кадра ITU-601 называют 4CIF, подчеркивая, что количество пикселов здесь в четыре раза больше, чем в формате CIF. Также существует и формат QCIF (Quarter CIF), в котором содержится в четыре раза меньше пикселов, чем в формате CIF (то есть 176x144 пиксела).
Рис. 9.19. Сегодня на рынке присутствует огромное количество цифровых видеорегистраторов
Вполне очевидно, что мы стремимся получить максимально высокое качество изображения, но нужно понимать, что, независимо от наших действий, качество сжатого изображения никогда не будет выше, чем у несжатого. Количество пикселов, которое содержится в оцифрованном изображении от любой телекамеры с аналоговым видеосигналом, даже при записи полного кадра составит в лучшем случае всего около 415000 пикселов для PAL и 345000 для NTSC. Чтобы показать, много это или мало, достаточно в качестве примера вспомнить о современных цифровых фотоаппаратах (например, фотоаппарат, у которого заявлено 4000000 пикселов). Поэтому, когда заказчик спрашивает о причине пикселизации при увеличении кадра, экспортированного с цифрового видеорегистратора, ответ будет простым: таково количество пикселов в оцифрованном изображении. Телекамеры, используемые в видеонаблюдении, дают нам такие кадры, которые имеют значительно более низкое разрешение, чем кадры, полученные с помощью пленочного или цифрового фотоаппарата, а поэтому их не стоит и сравнивать.
Таким образом, когда вы собираетесь проектировать систему видеонаблюдения, от которой требуется возможность распознавания лиц и автомобильных номеров, то следует брать в расчет и количество пикселов в оцифрованном изображении. Об этом мы еще поговорим в конце этой главы, где будет дано несколько рекомендаций по проектированию таких систем видеонаблюдения.
Рис. 9.20. Аналого-цифровое преобразование сигнала и его передача в типичной цифровой системе видеонаблюдения
Необходимость сжатия
Для того чтобы показать, какой поток данных потребуется для передачи видео, оцифрованного согласно рекомендации ITU-601, мы проведем несколько простых вычислений. Умножим количество отсчетов в каждой строке (864 для PAL и 858 для NTSC) на количество строк телевизионного стандарта (625 и 525).
Результат мы умножим на количество кадров в секунду (25 и 30), и получим одинаковый поток данных при оцифровке каждого телевизионного стандарта, предполагая, что для представления яркостного сигнала используется 8 битов, и 8 битов для представления двух цветоразностных сигналов (4 бита для Сг и 4 бита для Сb).
Для PAL: 864 х 625 х 25 х (8+8) = 216 Мбит/с, из которых активный видеопоток составит 720 х 576 х 25 х 16 = 166 Мбит/с.
Для NTSC: 858 х525 х 29.97 х (8+8) = 216 Мбит/с, из которых аналогичным образом активный видеопоток составит 720 х 480 х 29.97 х 16 = 166 Мбит/с.
Этот поток данных указан для несжатого видео, оцифрованного согласно рекомендации ITU-601 с форматом оцифровки 4:2:2. Если используется формат оцифровки 4:4:4 или 10-битный диапазон уровней квантования, вместо 8-битного (что применяется в вещательном телевидении при обработке и редактировании видео), то видеопоток еще больше увеличивается. Для системы видеонаблюдения использование такого видеопотока будет непрактичным, так как пропускной способности обычных локальных сетей Fast Ethernet не хватит даже для одной телекамеры, не говоря о том, чтобы работать одновременно с несколькими, как это бывает обычно. Поэтому в первую очередь к оцифрованному видео обязательно нужно применить сжатие.
Цифровые системы видеонаблюдения без сжатия изображения были бы невозможны.
Существуют различные стандарты сжатия изображения в вещательном телевидении, для передачи видео в сети Интернет, для записи на DVD и т. д., но в индустрии видеонаблюдения используются http://www.itv.ru ITV— генеральный спонсор 2-го издания книги «CCTV. Библия видеонаблюдения» практически все стандарты сжатия, за исключением немногих, что позволяет достичь лучшего компромисса между максимально высоким уровнем сжатия и максимально возможным качеством изображения.
Рис. 9.21. Типичное отображение нескольких телекамер на одном экране, что обычно доступно в режиме наблюдения и просмотра архива.
Это особенно важно, когда на один цифровой видеорегистратор мы записываем несколько телекамер (мультиплексированная запись нескольких телекамер, обычно 16, 18, 24 или 32 телекамеры). Существует большое количество стандартов сжатий и их разновидностей, которые предлагают различные преимущества.
Один кадр несжатого видео может занимать около 1.244 Мбайт для PAL (720x576x3 = 1.2 Мбайт), если мы предполагаем 3 цветовые компоненты и 8-битную оцифровку, а 8 бит равно сжатыми изображениями, размер которых менее 1 байт. В видеонаблюдении мы обычно имеем дело со 100 кбайт, а зачастую даже меньше 10 кбайт.
Рис. 9.22. Графическое представление эффективности алгоритмов сжатия по сравнению с несжатым изображением. Обратите внимание на большую эффективность сжатия MPEG-2 при том же качестве
Когда используется компрессия видеоизображения (вместо компрессии отдельных изображений), то обычно указывается не размер одного кадра, а видеопоток в кбит/с или Мбит/с. Таким образом, видеопоток хорошего качества при сжатии MPEG-2 составит порядка 4 Мбит/с. Поток видео среднего качества для передачи по сети Интернет при сжатии MPEG-4 составит примерно 256–512 кбит/с. Насколько сильно можно сжимать видео, зависит от того, сколькими деталями вы готовы для этого пожертвовать и какое сжатие вы используете. Впрочем, в любом случае без сжатия не обойтись.
Нужно также понимать, что возможна и дополнительная обработка оцифрованного видеосигнала до или после сжатия. В некоторых случаях цифровая обработка заключается в простом масштабировании кадров для размещения их в меньших по размеру окнах (как это происходит в видеоквадраторах), но существуют и более сложные алгоритмы. Например, алгоритмы повышения контраста могут проводить сравнение каждого пиксела с соседними и на основании сравнения изменять значения пиксела. Алгоритмы шумоподавления, детекторов движения и другие также относятся к сфере дополнительной обработки цифрового видеосигнала.
