Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии
Представляя собой совместимое расширение, видеостандарт MPEG-2 основывается на MPEG-1, поддерживая видеоформаты чересстрочного разложения и некоторые другие дополнительные свойства.
Формат MPEG-2 используется в вещательном телевидении сервисными службами, такими, как DBS (Direct Broadcast Satellite — спутник прямого вещания), CATV (CAble Television — кабельное телевидение) и, что наиболее важно, HDTV (цифровое телевидение высокой четкости). Кроме того, формат DVD (который был стандартизирован в период между двумя изданиями этой книги) использует кодирование MPEG-2 для видео- и аудиозаписей высокого качества. Благодаря сжатию MPEG-2 однослойный и односторонний цифровой видеодиск DVD имеет достаточно емкости, чтобы хранить два часа и 13 минут видео высокого качества, объемного звука и субтитров.
MPEG-2, как и MPEG-1, основывается на группах изображений, которые состоят из I-, Р- и В-кадров. 1-кадр является опорным с внутрикадровым кодированием (intracoded), то есть он может быть декодирован без обращения к данным других кадров. Р-кадры для декодирования потребуют предшествующий l-кадр или Р-кадр, В-кадры потребуют уже предшествующий и последующий кадр (l-кадр или Р-кадр). Поэтому Р-кадры и В-кадры являются промежуточными кадрами с межкадровым кодированием (intercoded).
Работа алгоритмов предсказания движения основывается на векторах движения. Для простоты представим, что в l-кадре имеется круг на белом фоне. В следующем Р-кадре имеется такой же круг, но уже смещенный в другую позицию. Предсказание движения означает, что должен быть вычислен вектор движения этого объекта, который описывает, каким образом двигается наш круг со своей позиции на l-кадре в позицию на Р-кадре. Этот вектор движения является частью потока MPEG-2 и разделен на горизонтальную и вертикальную часть. Эти части могут быть как отрицательными, так и положительными. Положительное значение показывает, что движение происходит слева направо или соответственно сверху вниз.
Отрицательное значение показывает, что движение происходит справа налево или снизу вверх. Впрочем, такая модель подразумевает, что разница между кадрами может быть выражена как простое перемещение пикселов. В потоке MPEG имеется матрица ошибок предсказания, которая позволяет более точно восстанавливать движение.
Рис. 9.41. Векторы движения используются для предсказания смещения объектов между I- и Р-кадрами
Когда только начинался переход к цифровым методам записи в видеонаблюдении (а это было совсем недавно, всего 5–6 лет назад), лишь очень немногие разработчики цифровых видеорегистраторов использовали стандарт MPEG-2. Сейчас ситуация изменилась, и многие уже увидели преимущества качественной цифровой записи видео и другие достоинства MPEG-2, с успехом нашедшие применение в видеонаблюдении — например, обратное воспроизведение архива, замедленное воспроизведение архива в прямом и обратном направлении, высокоскоростное воспроизведение архива (скорость может быть увеличена вплоть до 1024-кратной) и даже детектирование движения.
Очевидно, что MPEG-2 не предназначен для работы в режиме мультиплексированной записи, так как зависимость в потоке между кадрами нарушается, и выигрыш от межкадрового сжатия нивелируется. Поэтому цифровые видеорегистраторы со сжатием MPEG-2 обычно записывают видеопотоки от одной телекамеры на жесткий диск, хотя существуют и модели, которые могут одновременно записывать и несколько (немультиплексированных) видеопотоков на один жесткий диск. Учитывая то, что видеопоток MPEG-2 хорошего качества может достигать, например, 4 Мбит/с, несложно подсчитать, что при современном развитии технологии жестких дисков, один цифровой видеорегистратор сможет записывать всего лишь несколько таких видеопотоков, особенно если мы хотим одновременно просматривать архив.
Хотя сжатие MPEG-2 может быть реализовано программно с помощью достаточно производительных процессоров, для видеонаблюдения всегда предпочтительнее выполнять сжатие аппаратно, что гарантирует кодирование (запись) всех кадров без потерь. Декодирование (воспроизведение) может осуществляться с помощью программных декодеров, которых не так уж и много, поскольку MPEG-2 — это стандарт. Windows Media Player, Apple QuickTime, Real Audio — вот примеры программного обеспечения, которое способно воспроизводить видео MPEG-2. Некоторые цифровые видеорегистраторы, использующие MPEG-2, имеют возможность записи компакт-дисков или DVD с видео MPEG-2, такие диски затем можно просмотреть на бытовом DVD-проигрывателе.
Многие производители цифровых видеорегистраторов высшего класса, помимо аппаратного сжатия и записи, позволяют декодировать сжатое видео и выводить его на отдельный аналоговый монитор и одновременно программно со смещением во времени декодировать запись для просмотра или для архивирования по сети. Возможность одновременного выполнения всех этих операций иногда называют триплексной функцией, но существуют и другие варианты: triplex, quad-plex или penta-plex. В последнем случае имеется в виду, что одновременно могут выполняться до 5 операций: запись, воспроизведение, архивирование на внешние носители, воспроизведение записи по сети и архивирование по сети. Если все эти процессы осуществляются с применением одного жесткого диска (как это обычно и происходит), то он должен иметь соответствующую скорость передачи данных. По этой причине многие производители цифровых видеорегистраторов предпочитают выпускать не многоканальные, а одноканальные устройства с записью MPEG-2.
Рис. 9.42. В стандарте MPEG-2 используется такая же структура с группами изображений, как и в MPEG-1
MPEG-2 пригоден для применения в различных областях индустрии безопасности, поскольку он позволяет получить лучшее качество изображения, но чаще всего этот стандарт находит применение там, где требуется запись быстрых движений, например, в казино и банках. Особенно внимательно следует подходить к использованию сжатия MPEG-2 в тех случаях, когда требуется работать с поворотными телекамерами по сети, так как приходится учитывать задержку кодирования и передачи видеосигнала, но, как уже говорилось ранее, эту задержку можно сократить до приемлемых 200 мс и менее, манипулируя размерами видеопотока и структурой группы изображений.
Справедливости ради нужно отметить, что из-за больших размеров видеопотока MPEG-2 непригоден для удаленного просмотра и передачи данных по низкоскоростным каналам связи. Многие производители в этом случае предлагают использовать дополнительный стандарт MPEG-4 (основным стандартом сжатия для записи остается MPEG-2), так как он более гибок и адаптирован для передачи по низкоскоростным каналам связи (128 кбит/с, 256 кбит/с и др.).
MPEG-4
MPEG-4 (ISO 14496) — это еще один стандарт групп MPEG, разработанный относительно недавно. Его практически еще не использовали, когда вышло первое издание этой книги. MPEG-4 представляет собой результат еще одного примера международного сотрудничества сотен исследователей и инженеров со всего мира. Работа над MPEG-4, который официально обозначается как ISO/IEC 14496, была окончательно завершена в октябре 1998 года, а международным стандартом MPEG-4 стал в 1999 году.
Стандарт MPEG-4 был разработан для того, чтобы предоставить пользователям новый уровень взаимодействия с видеоинформацией. Он обеспечивает технологии, позволяющие осуществлять доступ не к пикселам, а к объектам, просматривать их и манипулировать ими. Этот стандарт отличается большой устойчивостью к ошибкам и работой с несколькими диапазонами значений скорости передачи данных. Сфера применения стандарта варьируется от цифрового телевидения, мультимедийных данных в мобильных коммуникациях, игр и до видеонаблюдения.
Основное отличие MPEG-4 от предыдущих стандартов заключается в его объектно-ориентированной аудиовизуальной модели. В рамках этой модели в каждой сцене присутствуют объекты, которые имеют связи между собой во времени и пространстве, что дает ряд преимуществ. Стандарт MPEG-4 открывает пользователям новые возможности для создания, редактирования, доступа и потребления аудиовизуальной информации. В основе технологии MPEG-4 лежит объектно-ориентированный подход, где сцена моделируется как состоящая из объектов, как естественных, так и синтезированных, с которыми пользователь может взаимодействовать. Работа с объектами (особенно с синтезированными) и интерактивность лежат в основе MPEG-4, но, к сожалению, в видеонаблюдении это не нашло применения.
Компенсация движения основана на блоках с соответствующей модификацией для границ объектов.
Размер блоков может быть 16x16 или 8x8 с половинным разрешением в пикселах. MPEG-4 также обеспечивает режим компенсации движения с наложением. Кодирование текстур объектов основано на DCT-преобразовании в блоках 8x8 с соответствующей модификацией для границ объектов. Для повышения эффективности кодирования также возможно предсказание коэффициентов. Статичные текстуры могут быть закодированы с использованием вейвлет-преобразования. Устойчивость к ошибкам обеспечивается за счет маркеров ресинхронизации, декомпозицией данных и другими методами. Масштабируемость обеспечивается как для пространственного, так и временного улучшения разрешения. MPEG-4 обеспечивает масштабируемость на уровне объектов с тем ограничением, что форма объекта должна быть прямоугольной. Для нас в видеонаблюдении это, возможно, самое полезное свойство, так как с ним связано масштабирование потоков для передачи по низкоскоростным каналам связи.
