Форматы сжатия видеосигнала

Цифровой видеосигнал, получаемый в системах видеонаблюдения с видеокамер, имеет очень большой размер. Для снижения затрат на устройства хранения информации, видеосигнал подлежит последующему сжатию (компресии). В ходе этого процесса происходит частичная потеря качества изображения.

Но именно благодаря сжатию современные системы видеозаписи позволяют хранить архивы глубиной в несколько недель и даже месяцев.

Существует несполько различных форматов сжатия исходного видеосигнала. Нередко, особенно это было развито несколько лет назад, производители видеоаппаратуры используют свои, модифисированные версии форматов сжатия, что приводит к несовместимости записанных данных. К счастью, в последнее время наметилась тенденция к стандартизации форматов сжатия.

Наиболее распространенными форматами сжатия видеоизображения на сегодняшний день являются MPEG-4, M-JPEG и wavelet.

MPEG-1

Формат сжатия видеоданных MPEG-1 был разработан Motion Picture Expert Group -- международной организацией, создающей стандарты сжатия видеоинформации. Он поддерживает максимальное разрешение кадра 4095 x 4095 пикселов при частоте их смены до 60 раз в секунду. Однако обычно используют разрешение 352 x 288, соответствующее качеству записи на обычную кассету VHS.

Как происходит сжатие информации в этом формате? Предположим, что у нас есть следующая сцена: автомобиль движется из пункта "А" в пункт "Б". Перемещение машины можно описать двумя параметрами: вектором перемещения из точки "А" в точку "Б" и углом поворота вокруг своей оси. Задний план при этом остается неизменным или почти неизменным -- зритель вряд ли обратит внимание на колебания мелких веток у дальних деревьев. Следовательно, можно разбить кадр на две составные части -- задний план, который сохраняется один раз, а затем подставляется при воспроизведении всех кадров, и область, где движется машина, -- ее придется записывать отдельно для каждого кадра.

В формате MPEG-1 все кадры видеоролика подразделяются на три типа: I-, P- и B-кадры. К первому типу (I-кадры, Intra Frames) относятся опорные кадры. Их изображения сохраняются в полном объеме в формате JPEG. Для P-кадров (Predicted Frames) записываются только отличия от предыдущего i-кадра, что требует намного меньше дискового пространства. Для B-кадров (Bi-DirectiOnally Interpolated Frames) сохраняются отличия от предыдущего и следующего I- или P-кадра.

В итоге размер сжатого файла составляет примерно 1/35 от исходного. Это значит, что полуторачасовой фильм с качеством, эквивалентным аналоговой записи на кассете VHS, в формате MPEG-1 поместится на два компакт-диска. Для передачи через Internet или в сетях спутникового вещания этот стандарт, конечно же, не подходит.

MPEG-2

MPEG-2 представляет собой дальнейшее расширение MPEG-1. В нем увеличен рекомендуемый размер кадра -- теперь он составляет 1920 x x 1080 точек, добавлена поддержка шестиканального звука. Однако для воспроизведения видео в этом формате требуется более высокая вычислительная мощность компьютера.

Следует отметить, что велась работа над созданием стандарта MPEG-3 (не путать с популярным нынче форматом сжатия звука -- MPEG-1 Audio Layer 3). Он должен был стать базовым для систем цифрового телевидения высокой четкости HDTV. Но работа над ним была прервана, поскольку нужные для HDTV требования удалось реализовать в виде небольших расширений к MPEG-2.

Этот формат сейчас довольно широко распространен на Западе: его используют для передачи видео по спутниковым каналам и кабельным сетям цифрового телевидения, кроме того, все видеодиски DVD записаны именно в этом формате.

Формат сжатия Motion JPEG (MJPEG)

MJPEG – алгоритм сжатия JPEG для видеоинформации.
Фактически MJPEG (Motion JPEG) - это переходный формат от сжатия обычных фотографий к сжатию видео. Каждый кадр записывается в формате JPEG, а затем помещается в видеоряд и представляет собой стандартизированный формат записи потока отдельных кадров, каждый из которых сжат по алгоритму JPEG независимо от остальных. При использовании алгоритма сжатия MJPEG средний коэффициент сжатия видеосигнала составляет около 1:5, а скорость передачи видео с разрешением 720х576 пикселей – до 5 Мбит/с.

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.

Форматы MPEG-1 и MPEG-2 не обеспечивали реальной возможности трансляции видео по сети Internet и создания интерактивного телевидения на их основе -- слишком уж большим был размер файлов. Для его радикального уменьшения, а также реализации других функций, необходимых для передачи потокового видео, была начата работа над спецификациями нового формата -- MPEG-4. По сути, он ориентирован не столько на сжатие видео, сколько на создание так называемого "мультимедийного контента" -- слияния интерактивного телевидения, 3D-графики, текста и т. д.

Что касается самого видео, то важнейшим нововведением стало дальнейшее усовершенствование технологий разложения сцены на объекты и алгоритмов их эффективного сжатия. Так, например, при сжатии видеозаписи теннисного матча большинство кадров можно условно разложить на изображения трибун (задний план) и теннисистов. Внимание зрителя, скорее всего, будет приковано к игрокам, поэтому детализацию заднего плана можно уменьшить (это даст дополнительную экономию места), а игроков -- увеличить. Для типовых объектов даже разработаны отдельные алгоритмы предсказания и описания их движений -- это касается, в частности, походки людей, наиболее распространенных жестов, мимики. Теперь такие изменения в кадрах нет нужды записывать вообще -- их можно рассчитать программно.

В MPEG-4 поддерживается отображение текста различными шрифтами поверх видеоизображения. Более того, этот текст может быть озвучен с помощью синтезатора речи с возможностью имитации мужских и женских голосов. При необходимости голос синхронизируется с движениями лица диктора в соответствии с произносимыми фонемами. Также может синтезироваться звучание некоторых музыкальных инструментов. Сжатие оцифрованных звукозаписей осуществляется более эффективно с помощью специально разработанного кодека AAC (Advanced Audio Codec).

Для воспроизведения видео в формате MPEG-4 требуется достаточно большая вычислительная мощность ПК, но зато по эффективности сжатия он не имеет себе равных.

Формат сжатия 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. В отличие от JPEG, изображение обрабатывается без разбиения на квадраты.

С математической точки зрения основной особенностью wavelet-преобразования является возможность разложить изображение на две компоненты - низкочастотную часть, содержащую основную информацию, и высокочастотную часть, содержащую лишь малую долю информации. Низкочастотную часть можно опять разложить на две части, и т.д. Оставшаяся часть изображения содержит лишь малые высокочастотные компоненты. В результате последовательного применения wavelet-преобразований получается изображение, занимающее небольшой объем места на диске.
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.

После того, как фирма Analogue Devices выпустила специализированную микросхему аппаратного wavelet-сжатия видео, данный формат стал базисом многоканальных цифровых систем видеонаблюдения и цифровых видеорегистраторов. Как и в случае формата JPEG, в Wavelet сжатие осуществляется с необратимыми потерями информации, но изображение не имеет "мозаичных" дефектов даже при очень больших степенях компрессии. Достоинство - отсутствие видимых дефектов даже при большом коэффициенте сжатия видео, - снижается резкость, и изображение просто становится менее четким.

Применение Wavelet-сжатия открыло перед охранными системами видеонаблюдения новые возможности. Сжатое видео при малом объеме передаваемой информации [до 400 Кбит/с с компрессией 150:1] может быть передано через сеть Internet, по модему или по мобильному телефону, что позволяет дистанционно наблюдать за охраняемым объектом практически в режиме реального времени.

В 2000 году вариант сжатия методом Wavelet включен в стандарт JPEG (метод сжатия JPEG-2000).

Формат сжатия Jpeg2000

В последнее время в линейке оборудования ведущих производителей видеорегистраторов (аппаратных и программных) все чаще используется новый современный формат хранения графических изображений и видеоданных Jpeg2000, отличающийся высокой эффективностью компрессии.

Основанный на wavelet-преобразовании, Jpeg2000 совместил в себе целый ряд инноваций, расширяющих возможности систем видеонаблюдения. Это покадровый метод компрессии видеоданных. Его особенность состоит в том, что каждый кадр сжимается независимо от соседних. Такая изначальная ориентация формата имеет преимущество перед алгоритмами с межкадровой компрессией (MPEG-2, MPEG-4, H.264) и обеспечивает одинаково высокое качество всех записанных кадров.

Использование формата сжатия Jpeg2000 позволяет проводить криминалистические экспертизы записей и применять средства автоматической обработки архивных данных на более высоком уровне. В отличие от сходных форматов с покадровым методом компрессии Jpeg2000 -- вместо дискретного косинусного преобразования -- использует технологию wavelet-преобразования, основанную на представлении сигнала в виде волновых пакетов. За счет этого устраняется эффект, когда при увеличении сжатия появляются характерные хорошо заметные артефакты, например, блочность (разбиение изображения на блоки 8х8 пикселей), замыливание (потеря мелких деталей изображения) и т.д. В применении к задачам записи видеопотоков Jpeg2000 обладает следующими основными преимуществами:

• более высокая степень сжатия по сравнению с JPEG в среднем на 20%;

• отношение сигнал/шум: Jpeg2000 обеспечивает эффективную организацию кодового потока;

• JPEG2000 обеспечивает как сжатие с потерями, так и сжатие без потерь. Jpeg2000 устойчив к битовым ошибкам, которые вносятся зашумленными каналами связи. Это достигается путем вставки маркеров ресинхронизации, кодирования данных в относительно небольшие независимые блоки, и обеспечение механизмов для нахождения и локализации ошибок.

J2000 - новый для российского рынка бренд. Тем не менее, преимущества выпускаемого под ним оборудования, уже вызвали интерес участников рынка.