CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии - Владо Дамьяновски

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.

Когда видеосигнал оцифрован и сжат, то его можно сохранить (записать) и передать по локальной сети, по сети Интернет или по другим каналам связи значительно быстрее. Это только немногие преимущества цифрового видео, которые недоступны для аналогового видеосигнала.

Преимущества передачи цифрового видео по сети очевидны: локальные сети уже проложены во многих офисах, учебных заведениях, на фабриках и заводах. Если ответственный IT-персонал дает разрешение на использование местных локальных сетей для передачи видео, то цифровые системы видеонаблюдения можно очень легко и быстро интегрировать с существующими сетями. Кроме того, можно значительно увеличить дистанцию передачи видеосигнала, объединяя несколько соседних локальных сетей в единую структуру. Очевидно, что в эпоху массового развития сети Интернет локальные системы видеонаблюдения могут легко быть объединены в крупномасштабную систему, соединяющую ее локальные компоненты, даже разбросанные по разным континентам, так же легко, как если бы они были расположены через улицы друг от друга.

Рис. 9.23. Типичная сетевая телекамера. Обратите внимание, что у нее нет аналогового видеовыхода

Локальные сети и кабели, используемые в них, тоже имеют свои ограничения (их мы рассмотрим детально в главе, посвященной сетевым технологиям), и для увеличения расстояния передачи цифрового видеосигнала необходимо использовать такие сетевые устройства, как повторители (репитеры, network repeaters). Впрочем, их функции выполняют и сетевые коммутаторы и маршрутизаторы.

Многие современные цифровые системы видеонаблюдения могут использовать для передачи видеосигнала и сеть Интернет, и как только мы подключаем их к этой сети, то все ограничения на максимальную дистанцию передачи видеосигнала пропадают, так как провайдеры услуг доступа в Интернет сами заботятся о репитерах и усилении сигнала, которые необходимы, чтобы мы могли передавать информацию из одной точки в другую, независимо от расстояния, их разделяющего.

Сейчас уже доступны действительно цифровые телекамеры, которые обычно называются сетевыми телекамерами (IP-camera, LAN camera). Мы о них говорим как о действительно цифровых устройствах, и они заслуживают такого наименования, поскольку их можно подключить напрямую в существующие локальные сети и просматривать через веб-броузер, используя их IP-адрес, в отличие от цифровых телекамер, которые получили такое название за цифровую обработку сигнала и генерируют на выходе аналоговый видеосигнал. Сейчас в большинстве случаев сетевые телекамеры используются в небольших инсталляциях, для промышленного или специализированного видеонаблюдения в научных целях, а также для проведения видеоконференций в сети Интернет. При современном развитии технологии по качеству изображения и скорости обновления кадров сетевые телекамеры пока еще уступают аналоговым телекамерам. Впрочем, цифровая обработка и технологии сжатия изображения развиваются настолько быстро, что время, когда сетевые телекамеры сравняются с аналоговыми телекамерами, придет очень быстро.

Размеры видеопотоков хорошего качества от нескольких телекамер могут быть достаточно велики, несмотря на сжатие изображения, а это потребует применения лучших кабелей для повышения пропускной способности локальной сети. Но куда более важно то, что большая часть системных администраторов и IT-специалистов, отвечающих за поддержку сети, которую планируется использовать для передачи видеосигналов, сразу выскажут свои опасения относительно того, что ваша цифровая система видеонаблюдения может перегрузить имеющиеся локальные сети. Поэтому очень часто вы будете сталкиваться с требованием ограничения потоков данных от цифровой системы видеонаблюдения, или даже с необходимостью построения новой локальной сети, выделенной исключительно для передачи цифрового видео. Такая необходимость потребует от нас знания сетевых технологий, протоколов TCP/IP и всего остального, что нужно при переходе от аналогового телевидения к цифровому. Сетевые технологии мы рассмотрим в отдельной главе.

А сейчас мы остановимся на технологиях сжатия изображения в том виде, в каком они используются в видеонаблюдении.

В цифровых системах видеонаблюдения используются почти все доступные стандарты сжатия: JPEG, M-JPEG, Wavelet, H.263, MPEG-1, MPEG-2, JPEG-2000, MPEG-4, H.264 и т. д.

Существует большое количество разнообразных технологий сжатия. Как из них выбрать самый оптимальный для конкретного случая способ сжатия?

Безусловно, найти ответ на этот вопрос будет нелегко. Следует понимать теорию оцифровки изображения и ограничения телевизионных стандартов, на которые будут накладываться ограничения оцифровки видео и сжатия.

В общих чертах можно сказать, что существует два основных типа сжатия изображения/видео: сжатие без потерь и сжатие с потерями.

Сжатие без потерь позволяет добиться только очень низкого уровня сжатия (обычно в три-четыре раза по сравнению с несжатым оригиналом) и используется в основном в вещательном телевидении и при видеомонтаже. Поэтому в этой книге мы будем рассматривать различные стандарты сжатия с потерями.

Сжатие с потерями означает, что некоторые детали изображения или видеопотока будут потеряны и их невозможно будет восстановить никаким способом и никакой дополнительной обработкой. Хорошим стандартом сжатия следует считать не тот, который позволяет добиться очень высокого уровня компрессии, а такой стандарт, который позволяет достичь лучшего компромисса между качеством и размером видеопотока.

Рис. 9.24. Правильный выбор сжатия, телекамеры и объектива позволяет четко рассмотреть номер автомобиля

Одним из наиболее популярных стандартов сжатия сегодня считается JPEG, который чаще всего используется в цифровой фотографии. Мы все с ним знакомы, и читатели, вероятно, неоднократно сталкивались с тем фактом, что десятикратное сжатие JPEG практически не вносит заметных искажений в изображение. Таким образом, если вы пользуетесь цифровым фотоаппаратом с разрешением 4 мегапиксела, то размер одной фотографии без сжатия может достигать 12 Мбайт, что немало, когда нам нужно обрабатывать такой большой файл или хранить его на карте памяти объемом 32 Мбайт. Но если мы используем типичный уровень сжатия 1:10, то не заметим ощутимой разницы в качестве фотографии, зато с файлом будет удобнее работать и таких файлов больше поместится на карте памяти. В видеонаблюдении нам обычно требуется уровень сжатия значительно выше десятикратного. Не забывайте о том, что только один оцифрованный телевизионный кадр занимает около 1 Мбайт, а десятикратное сжатие уменьшит его всего до 100 кбайт.

Существуют цифровые видеорегистраторы и сетевые телекамеры, которые работают и с такими кадрами, но в большинстве случаев необходимость длительного хранения архива заставляет использовать более высокий уровень сжатия.

Нередко можно видеть, как производители заявляют о 100-кратном сжатии одного телевизионного поля.

Здравый смысл подсказывает нам, что потери будут очень значительными при столь высоких уровнях сжатия, а кроме того появятся артефакты сжатия, которые очень нежелательны. И нам снова придется искать компромисс между приемлемым качеством и небольшим размером видеопотока. Справедливости ради нужно сказать, что существуют очень интересные и остроумные решения (обычно собственные разработки отдельных производителей), которые позволяют заметно уменьшить размеры видеопотока за счет сокращения его избыточности (например, статичный фон записывается только один раз, а далее учитываются только разница между кадрами, которая создается не статичным фоном, а движущимися объектами).

Все это похоже на принципы работы семейств стандартов MPEG и Н.26х. Независимо от вашего выбора стандарта сжатия, источник видеосигнала, то есть сама телекамера должна иметь самое лучшее качество из доступного. А это означает, что необходимо выбирать качественную телекамеру и качественный объектив. И только тогда, когда нам удалось оптимизировать изначальный аналоговый видеосигнал для отображения всех нужных деталей и цветов, мы можем постараться получить оцифрованное видео почти такого же качества.