4K – Ultra High Definition & Η.265. Υπερβαίνοντας τα όρια

Του Αριστοτέλη Λυμπερόπουλου

Προ των πυλών βρίσκονται πλέον οι νέες κάμερες υπερυψηλής ευκρίνειας Ultra High Definition. Πως θα επηρεάσει η είσοδος τους τις εφαρμογές επιτήρησης και ποια είναι τα επακόλουθα από την εμφάνιση τους;

Ο περίφημος νόμος του Γκόρντον Μουρ σύμφωνα με τον οποίο η ισχύς των επεξεργαστών διπλασιάζεται κάθε περίπου δύο χρόνια ( η ακριβέστερη διατύπωση του είναι ότι ο αριθμός των τρανζίστορ στους επεξεργαστές θα διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια) έχει αποδειχθεί ότι δεν βρίσκει εφαρμογή μόνο στην πληροφορική, αλλά και σε πολλούς άλλους συγγενείς κλάδους. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η τεχνολογική εξέλιξη στα συστήματα CCTV. Από την αναλογική τεχνολογία των ασπρόμαυρων εικόνων με την προβληματική απεικόνιση και με την πληθώρα των κόκκων έχουμε πλέον προσεγγίσει ένα υψηλό επίπεδο απεικόνισης με έγχρωμες εικόνες υψηλής ανάλυσης των High Definition και Megapixel video. Ακόμα όμως φαίνεται ότι έχουμε πολύ δρόμο να διανύσουμε. Απόδειξη αυτού είναι η σχετικά πρόσφατη εμφάνιση των νέων καμερών υπερυψηλής ευκρίνειας με ανάλυση τουλάχιστον 3840 x 2160 ή 8,3 megapixels. Μόνο και μόνο με την ανάγνωση αυτών των αριθμών μπορούμε να αποκτήσουμε μια πρώτη αντίληψη των νέων δυνατοτήτων και των αλλαγών που θα επιφέρει η έλευση των καινούριων καμερών.

Το παρασκήνιο
Γνωστή είτε ως UHDTV (Ultra High Definition Technology) ή ως UHD (Ultra High Definition) όπως αρχικά ονομάσθηκε από τον Διεθνή Οργανισμό Consumer Electronics Industry (CEA) όταν πρωτοπαρουσιάσθηκε το 2012 ή ακόμα απλούστερα ως 4Κ (από τον αριθμό των 4.000 pixels ανά οθόνη σύμφωνα με όσα ορίζονται στο πρότυπο) όπως συχνά θα την συναντάμε στο μέλλον είναι σίγουρο ότι θα αφήσει ένα σημαντικό αποτύπωμα και στον κλάδο των CCTV.
Τα στοιχεία που χαρακτηρίζουν την τεχνολογία UHD είναι:

• Πολύ μεγάλη ανάλυση η οποία ξεκινάει από την τιμή των 8,3 megapixel
• Frame rate μέχρι 120 fps
• Aspect ratio (Αναλογία πλευρών): 16:9
• Πιστότητα χρωμάτων: Χρωματική παλέτα πολύ μεγαλύτερη από εκείνη των προγενέστερων τεχνολογιών.

Είναι σημαντική η γνώση αυτών των στοιχείων που χαρακτηρίζουν την τεχνολογία διότι μέσα στον ορυμαγδό των εξελίξεων αλλά και τα παιχνίδια marketing των κατασκευαστών, με την πληθώρα των όρων, μπορεί συχνά να υπάρξουν παρερμηνείες με τον χαρακτηρισμό μιας συσκευής ως Ultra High Definition. Θα πρέπει να διασφαλίζεται ότι ο κατασκευαστής ακολουθεί ένα συγκεκριμένο βιομηχανικό στάνταρ, οι προδιαγραφές του οποίου, καθορίζουν αν μια συσκευή ανήκει στην κατηγορία των UHD. Κάτι παρόμοιο άλλωστε έγινε και πριν λίγα χρόνια με την τεχνολογία HD και τις κάμερες megapixel.
Το κρίσιμο ερώτημα στο οποίο πρέπει να δοθεί μια απάντηση είναι κατά πόσο η νέα τεχνολογία των 4Κ (ή όπως αλλιώς θέλουμε να την ονομάσουμε) θα συμβάλλει στο security με την εφαρμογή της στα συστήματα CCTV. Η προφανής απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι ότι η υψηλότερη ανάλυση θα δίνει την δυνατότητα στον χρήστη να βλέπει περισσότερες λεπτομέρειες και θα διευκολύνει την εργασία των υπεύθυνων επιτήρησης των συστημάτων καθώς θα μπορούν να διακρίνουν ευκολότερα πρόσωπα και άλλες λεπτομέρειες από ακόμα μεγαλύτερες αποστάσεις. Επίσης, θα βελτιωθεί η ικανότητα μεγέθυνσης (zoom) των εικόνων σε νέα υψηλότερα επίπεδα.

Όλα αυτά είναι τα προφανή που θα προκύψουν από την εισαγωγή και την εμπορική αποδοχή των συσκευών που θα κάνουν χρήση της νέας τεχνολογίας. Όμως συχνά πίσω από τα προφανή κάνουν την εμφάνιση τους ορισμένα στοιχεία τα οποία δημιουργούν κάποιους προβληματισμούς. ¶λλωστε πάντα θα πρέπει να έχουμε στο νου μας ότι όταν κάνει την εμφάνιση της μια νέα τεχνολογία δεν πρέπει να την υιοθετούμε άκριτα αλλά οφείλουμε να προβαίνουμε σε μια ενδελεχή εξέταση των θετικών και αρνητικών στοιχείων.

Περισσότερες τεχνικές απαιτήσεις
Εδώ οι προβληματισμοί προκύπτουν καταρχάς ότι τα υφιστάμενα συστήματα καλύπτουν με πολύ μεγάλη επιτυχία ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών. Οπότε μια βιαστική αναβάθμιση σε αυτές τις περιπτώσεις δεν θα επιφέρει κάποιο σημαντικό όφελος. Τουναντίον, μπορεί να δημιουργήσει κάποια αξιοσημείωτα προβλήματα.

Τα προβλήματα αυτά πηγάζουν κυρίως από το μέγεθος των αρχείων. Ήδη σήμερα δυσκολευόμαστε σε πολλές εφαρμογές να διαχειριστούμε με επιτυχία το μέγεθος των αρχείων που δημιουργούνται από τα συστήματα HD και megapixel. Πόσο μάλλον όταν θα κληθούμε να αντιμετωπίσουμε τα τετραπλάσια σε μέγεθος αρχεία της τεχνολογίας 4Κ. Γιατί αυτό στην πράξη σημαίνει, ότι θα προκύψουν απαιτήσεις για μεγαλύτερο bandwidth και περισσότερα αποθηκευτικά συστήματα. Αυτές οι απαιτήσεις με την σειρά τους μετουσιώνονται σε ισχυρότερους servers, μεγαλύτερους δίσκους και περισσότερες ανάγκες σε κατανάλωση ενέργειας τόσο για την λειτουργία αυτών των συστημάτων όσο και για την επαρκή ψύξη τους (κλιματισμός).

¶λλο ένα θέμα που θα προκαλέσει προβληματισμούς, είναι ότι για να επιτευχθούν αυτές οι υψηλότερες τιμές ανάλυσης θα χρειαστεί ακόμα περισσότερος φωτισμός. Αυτή η προϋπόθεση, καθιστά ακατάλληλες τις υφιστάμενες κάμερες 4Κ για κάποιες εφαρμογές που χαρακτηρίζονται από χαμηλές συνθήκες φωτισμού. Εντούτοις, όσον αφορά το συγκεκριμένο ζήτημα και λαμβάνοντας υπόψη για μια ακόμη φορά το νόμο του Moore σχετικά με την τεχνολογική εξέλιξη, είναι σχετικά σίγουρο ότι οι περισσότεροι σοβαροί κατασκευαστές θα εμφανίσουν σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα προϊόντα τα οποία θα αντιμετωπίζουν με επιτυχία και αυτήν την πρόκληση.

Όμως, σε καμία περίπτωση και παρόλο τους προβληματισμούς που αναφέρθηκαν προηγουμένως δεν μπορεί κανείς να αμφισβητήσει τις μεγάλες δυνατότητες που διαθέτουν οι νέες κάμερες 4K καθώς και τις σημαντικές βελτιώσεις που θα επιφέρουν στην εργασία όσων χειρίζονται συστήματα CCTV.

Καινούρια διάσταση
Χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτών των νέων δυνατοτήτων μπορούμε να συναντήσουμε στις εφαρμογές επιτήρησης εξωτερικού χώρου, όπως σε σταθμούς στάθμευσης αυτοκινήτων και σε εφαρμογές επιτήρησης εξωτερικής περιμέτρου ή ακτογραμμών. Εκεί, οι κάμερες τύπου 4Κ μπορούν να προσφέρουν μια εντυπωσιακή κάλυψη με πολύ μεγάλο εύρος κάλυψης, ενώ παράλληλα έχουν την δυνατότητα ψηφιακής μεγέθυνσης της εικόνας ακόμα και από πολύ μακρινές αποστάσεις. Με τετραπλάσια ανάλυση από εκείνη των καμερών HD, οι χρήστες θα έχουν στην διάθεση τους μια πληθώρα εργαλείων που θα επιτρέπει να επιτηρούν μια μεγάλη έκταση χώρου, χωρίς να κάνουν συμβιβασμούς στην λεπτομέρεια της εικόνας. Αυτό ακριβώς το χαρακτηριστικό είναι εκείνο το οποίο καθιστά τις κάμερες 4Κ ιδανικές και για εφαρμογές εσωτερικού χώρου στις οποίες πάλι απαιτείται κάλυψη πολλών εκατοντάδων ή και χιλιάδων τετραγωνικών όπως πολύ μεγάλες αποθήκες.

Η πολύ υψηλή ανάλυση, σε συνδυασμό με την απόδοση των 120 fps, κάνει τις κάμερες 4Κ ιδανικές και για μια άλλη κατηγορία εφαρμογών στις οποίες υπάρχουν κινούμενα μικρά αντικείμενα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα, είναι τα καζίνο και οι τράπεζες, όπου πλέον θα είναι εφικτή η αποτελεσματικότερη επιτήρηση των όσων διαδραματίζονται μέσα σε αυτούς τους χώρους.

Μια ακόμα θετική επίδραση της διάδοσης των καμερών 4Κ, θα είναι η καλύτερη εκμετάλλευση των σύγχρονων οθονών HDTV των 2 megapixel. Με τις νέες κάμερες, δεν θα χρειάζεται πλέον να μειώνουμε την ανάλυση των βίντεο ή να περιορίζουμε το πεδίο θέασης της εικόνας για να προβάλλουμε τα βίντεο σε μια τέτοια οθόνη. Αυτό σημαίνει ότι θα αποφεύγουμε τον κίνδυνο να χαθεί μια πολύτιμη πληροφορία που ειδικά στον τομέα της ασφάλειας μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο.

Η μετάβαση
Φυσικά, η μετάβαση στο περιβάλλον 4Κ σε ότι αφορά το security παρουσιάζει κάποιες σημαντικές διαφορές σε σχέση με ότι θα γίνει στις απλές καταναλωτικές εφαρμογές. Δηλαδή, μπορεί για έναν απλό καταναλωτή να μην έχει μεγάλη σημασία αν η ταινία ή το σήριαλ έχει γυριστεί σε ανάλυση 4Κ και αυτός το βλέπει σε μια οθόνη προγενέστερης τεχνολογίας. Όμως, στις εφαρμογές security αυτή η αλλαγή έχει σημασία διότι αλλιώς ποιος ο λόγος να υιοθετηθεί η νέα τεχνολογία; Αυτό σημαίνει, όπως άλλωστε προαναφέραμε στους αρχικούς προβληματισμούς, νέες επενδύσεις σε συστήματα VMS (video management system), σε οθόνες αλλά και σε δικτυακή υποδομή. Η δικτυακή υποδομή θα πρέπει να αναβαθμισθεί ώστε να μπορεί με επιτυχία να ανταπεξέλθει στις αυξημένες απαιτήσεις των μεγαλύτερων σε μέγεθος αρχείων 4Κ.

Επανερχόμαστε λοιπόν στο φλέγον θέμα του bandwidth. Οι παράγοντες που καθορίζουν το μέγεθος ενός αρχείου βίντεο, είναι η ανάλυση, η χρωματική πιστότητα και το εάν σε αυτό το βίντεο περιέχεται κίνηση. Δηλαδή, μπορεί σε πρώτη φάση να θεωρούμε ότι το μέγεθος ενός αρχείο 4Κ θα αυξηθεί 4 φορές σε σχέση με ένα βίντεο HD και άρα θα χρειαστεί το τετραπλάσιο bandwidth αλλά αν σε αυτό το βίντεο περιέχεται και μεγάλος όγκος κινούμενης εικόνας τότε αυτή η διαφορά μπορεί να μεγαλώσει ακόμα περισσότερο. Οπότε εδώ, αναδύεται το θέμα της αποτελεσματικής συμπίεσης που είναι η μόνη ουσιαστική λύση για εφαρμογές CCTV, όπου θέλουμε τα βίντεο να μεταδίδονται σε πραγματικό χρόνο.

Μέχρι τώρα η πρόταση της βιομηχανίας ήταν το πολύ γνωστό πρότυπο Η.264. Όμως για να μεταδώσει ένα video 4K σε πλήρη ανάλυση και frame rate με το H.264 θα απαιτούνταν περίπου 20-30 Mbps. Εάν συμπιέσουμε την μετάδοση του βίντεο κάτω από τα 10 Mbps θα πρέπει να μειώσουμε είτε την ανάλυση είτε το frame rate ή ακόμα και τα δύο ταυτόχρονα. Η βιομηχανία όμως φαίνεται ότι έχει βρει μια αποτελεσματική λύση και σε αυτήν την πρόκληση που ακούει στο όνομα H.265

O διάδοχος
Το High Efficiency Video Coding, το οποίο θα γίνει πιο γνωστό με την ονομασία H.265 φαίνεται ότι θα είναι ο διάδοχος του Η.264. Πρόκειται για έναν ακόμα πιο βελτιωμένο αλγόριθμο συμπίεσης, ο οποίος σε σχέση με τον προκάτοχο του μπορεί να δώσει βελτιωμένη ποιότητα εικόνας και διπλάσιο λόγο συμπίεσης. Το πρότυπο παρουσιάστηκε επίσημα από τον Διεθνή Οργανισμό Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunications Union- ITU) τον Ιούνιο του 2013 και τα πρώτα προϊόντα τα οποία θα είναι συμβατά με αυτό αναμένεται να παρουσιαστούν στο τέλος του 2014.

Πιο συγκεκριμένα το Η.265 υποστηρίζει με επιτυχία τόσο τα βίντεο ανάλυσης 4Κ (4096×2160) αλλά και τα βίντεο 8Κ(8192×4320). Η βασική του φιλοσοφία, είναι ίδια εκείνη του Η.264 αλλλα χρησιμοποιεί διαφορετικές μεθόδους για να πετύχει ακόμα μεγαλύτερη συμπίεση. Συγκεκριμένα, κάθε marcoblock στο Η.264 αποτελείται από 16×16 pixels, ενώ στο Η.265 υπάρχουν περισσότερες επιλογές με το marcoblock να μπορεί να αποτελείται από 8×8 pixels, 16,1×16 pixels ή ακόμα και 64×64 pixels. Αυτό λοιπόν που κάνει το Η.265, είναι να αναλύει το περιεχόμενο του βίντεο και να το αποσυνθέτει σε επιμέρους coding units διαφορετικών μεγεθών. Πιο συγκεκριμένα, μπορεί να χρησιμοποιεί μικρότερα blocks των 4×4 pixels για να κωδικοποιήσει περιοχές της εικόνας που απαιτούν μεγάλη λεπτομέρεια και πολύ μεγαλύτερα blocks για την κωδικοποίηση του background της εικόνας για το οποίο δεν χρειάζεται μεγάλη λεπτομέρεια. Έτσι με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται μεγάλη εξοικονόμηση στο μέγεθος του κωδικοποιημένου αρχείου.

Το Η.265 παρουσιάζει καλύτερη συμπεριφορά και σε θέματα παρεμβολών και θορύβου με αποτέλεσμα παρότι να έχει μεγαλύτερη συμπίεση να μην γίνονται εκπτώσεις στην ποιότητα της τελικής εικόνας.
Όμως από την παρουσίαση ενός προτύπου μέχρι την τελική του αποδοχή περνάει κάποιος σημαντικός χρόνος που είναι δύσκολο να προσδιορισθεί με ακρίβεια. Αυτό είναι ένα θέμα που απασχολεί όλα τα στελέχη του κλάδου καθώς η αποδοχή του Η.265 είναι βασική προϋπόθεση για την αποτελεσματική αξιοποίηση του 4Κ. Εντούτοις, αν και μπορεί να υπάρξουν καθυστερήσεις και παλινδρομήσεις φαίνεται ότι σταδιακά εισερχόμαστε σε μια καινούρια ενδιαφέρουσα περίοδο. Πλέον όλο και πιο συχνά θα συναντάμε τους όρους Ultra High Definition και Η.265 καθώς όλες οι ενδείξεις δείχνουν ότι έχουμε φτάσει σε ένα νέο κομβικό σημείο μετάβασης από μια γενιά συστημάτων στην επόμενη.