Τεχνικές Συμπίεσης Βίντεο –  Ο κρίσιμος παράγοντας απόδοσης των συστημάτων βίντεο-επιτήρησης

Όσο οι αναλύσεις στα συστήματα βίντεο-επιτήρησης ενισχύονται και όσο περισσότερος όγκος δεδομένων δημιουργείται τόσο πιο κρίσιμος γίνεται ο ρόλος της συμπίεσης βίντεο

Του Νέστορα Πεχλιβανίδη

Κάθε  λεπτό που περνάει όσο διαβάζετε το άρθρο που ακολουθεί, μερικές εκατοντάδες ώρες βίντεο ανεβαίνουν στο διαδίκτυο ή μεταφέρονται μέσω δικτύων ή αποθηκεύονται σε διάφορα αποθηκευτικά μέσα. Βίντεο που έχουν ληφθεί από smartphones αμέτρητων τυχαίων χρηστών, ειδησεογραφικά βίντεο από πρακτορεία ανά τον κόσμο και άπειρες ώρες εκπομπών από τηλεοπτικά δίκτυα και όχι μόνο. Εάν στα παραπάνω προσθέσουμε και τα βίντεο από πλατφόρμες επιτήρησης σε έργα ασφάλειας κάθε κλίμακας, προερχόμενα από τις εκατομμύρια κάμερες ασφαλείας που υπάρχουν σε όλη την υφήλιο και κυριολεκτικά δεν σταματάνε ποτέ την καταγραφή, γίνεται εύκολα αντιληπτό από τον καθένα πως πρόκειται για έναν απίστευτα τεράστιο όγκο δεδομένων που απαιτεί χώρο αποθήκευσης στους ανά τον κόσμο servers, αλλά και το αντίστοιχο bandwidth για τη μεταφορά του.

Στην σύγχρονη αγορά η αποτελεσματική χρήση του εύρους ζώνης και των αποθηκευτικών μέσων είναι δύο ζωτικά στοιχεία ενός αποδοτικού συστήματος βίντεο-επιτήρησης. Η ικανότητα όμως ενός συστήματος βίντεο-επιτήρησης να παρέχει υψηλή ανάλυση της εικόνας και ειδοποιήσεις σε πραγματικό χρόνο είναι ωφέλιμη μόνον εφόσον το δίκτυο είναι ικανό να προσφέρει  την ανάλογη υποστήριξη σε τεχνικό επίπεδο. Σήμερα ευτυχώς, υπάρχει η απαραίτητη τεχνολογία ώστε οι τελικοί χρήστες να αξιοποιήσουν συστήματα καμερών που προσφέρουν υψηλή ανάλυση αλλά και να διαχειριστούν με το καλύτερο τρόπο τον τεράστιο όγκο δεδομένων που παράγεται.

Όμως, όταν οι διάφοροι οργανισμοί και επιχειρήσεις αξιολογούν τις πληροφοριακές τους υποδομές, αντιλαμβάνονται πως παρά τις όποιες προσπάθειες που καταβάλλονται, ο χώρος αποθήκευσης παραμένει πάντα ανεπαρκής, αφού η συνεχόμενη καταγραφή δημιουργεί αυτομάτως την ανάγκη για αποθήκευση και μεγαλύτερο bandwidth. Εναλλακτικά θα μπορούσαν να αποθηκευτούν τα δεδομένα τμηματικά, με κόστος βέβαια την οριστική απώλεια χρήσιμων πληροφοριών.

Σήμερα όμως υπάρχουν κάμερες υψηλών αποδόσεων που αξιοποιούν τις σύγχρονες τεχνολογίες συμπίεσης βίντεο, επιτρέποντας στους διαχειριστές να μειώσουν τις ανάγκες για εύρος ζώνης και χώρο αποθήκευσης χωρίς συμβιβασμούς στην ποιότητα της εικόνας και χωρίς τον φόβο απώλειας δεδομένων. Φυσικά είναι απαραίτητο τα πρότυπα συμπίεσης να υποστηρίζονται και από διαφορετικές συσκευές, γι’ αυτό άλλωστε θεωρούμε δεδομένο πως ένα βίντεο του οποίου η καταγραφή γίνεται από μία κάμερα ασφαλείας μπορεί να προβληθεί σε ένα smartphone ή σε έναν υπολογιστή.

Εξίσου απαραίτητο είναι όμως, και οι τελικοί χρήστες να γνωρίζουν κάποια βασικά για τις τεχνικές συμπίεσης αφού η γνώση αυτή θα μπορούσε να προσφέρει ακόμα καλύτερη αξιοποίηση του εύρους ζώνης και του χώρου αποθήκευσης.

Μέγεθος βίντεο και αναγκαιότητα συμπίεσης

Ένα βίντεο στην αρχική του, ασυμπίεστη, μορφή χρησιμοποιεί μεγάλο εύρος ζώνης και δεσμεύει πολύ χώρο σε ένα μέσο αποθήκευσης. Παραδείγματος χάριν ένα βίντεο ενός λεπτού των 30 fps, με την φτωχή ανάλυση των  320x200pixels και βάθος χρώματος 24bit θα είχε μέγεθος περίπου 330MB. Χρειάζεται δηλαδή ένα ολόκληρο DVD  μεγέθους 4,6GB προκειμένου να καταγράψει κανείς μόλις 14 λεπτά τέτοιου βίντεο. Και αυτό χωρίς να συνυπολογίζουμε τον όγκο των ηχητικών δεδομένων!

Αλγόριθμοι συμπίεσης λοιπόν χρησιμοποιούνται προκειμένου να μειωθεί το μέγεθος του πρωτότυπου βίντεο χωρίς όμως μεγάλες απώλειες από την αρχική λήψη. Αντίθετα κατά την αναπαραγωγή του, γίνεται αποσυμπίεση με σκοπό όσο το δυνατόν την μεγαλύτερη πιστότητα. Φυσικά τα πρότυπα  συμπίεσης και αποσυμπίεσης(compression-decompression, εξ ου και ο τύπος codec) υπόκεινται σε διαρκή εξέλιξη και βελτίωση.

Το H.264 ήταν ένα βασικό πρότυπο συμπίεσης των συστημάτων βίντεο επιτήρησης μέχρι πρόσφατα, οπότε και αντικαθίσταται σιγά σιγά από το διάδοχο H.265 αλλά και τις βελτιωμένες εκδοχές του. Στη διάρκεια των περασμένων ετών, οι κατασκευαστές συστημάτων βίντεο-επιτήρησης, έχουν αναπτύξει ποικίλες κωδικοποιήσεις αρχής γενομένης με το MPEG φτάνοντας σήμερα στα πρότυπα H.265 και H.265+. Φυσικά σε όλη αυτήν την προσπάθεια ο αντικειμενικός σκοπός είναι η βελτίωση της ανάλυσης και η ταυτόχρονη μείωση του χώρου που απαιτείται για την αποθήκευση του εκάστοτε βίντεο. Όπως είναι αναμενόμενο, με την πρόοδο της τεχνολογίας, οι Codecs με την σειρά τους, παρουσιάζουν την ανάλογη εξέλιξη. Ας δούμε λοιπόν παρακάτω, ποιες είναι οι βασικές διαφορές μεταξύ των προτύπων H.264  και του πιο δημοφιλούς σήμερα, H.265.

Τι είναι όμως οι Codecs

Είναι ουσιαστικά ένας αλγόριθμος που μειώνει το  μέγεθος ενός καταγεγραμμένου βίντεο και όπως ισχύει για όλα τα προγράμματα που κυκλοφορούν, ομοίως υπάρχουν πολλοί Codecs διαθέσιμοι για την κωδικοποίηση ενός βίντεο.

Πρότυπο H.264 – Γνωστό και ως AVC(Advanced Video Coding) αναπτύχθηκε το 2003 και μέχρι πρόσφατα ήταν το πιο διαδεδομένο format καταγραφής και κωδικοποίησης βίντεο. Μάλιστα χρησιμοποιήθηκε πολύ από εφαρμογές video streaming αλλά και στα κυκλώματα επιτήρησης.

Πρότυπο H.265 –  Ή αλλιώς High Efficiency Video Coding είναι το νέο πρότυπο συμπίεσης βίντεο το οποίο υπόσχεται ακόμα καλύτερες επιδόσεις  σε σχέση με το προηγούμενο. Όσο η χρήση καμερών με δυνατότητα καταγραφής βίντεο υψηλής ευκρίνειας, επιπέδου 4Κ, θα αυξάνεται, τόσο μεγαλύτερες θα είναι και οι ανάγκες για μεγαλύτερο  bandwidth και περισσότερο χώρο αποθήκευσης. Οι δυνατότητες όμως του H.264 δεν  ήταν αρκετές για να διαχειριστούν τις νέες απαιτήσεις.

Γιατί H.265

Η πιο σημαντική διαφορά των δύο προτύπων, είναι οι σαφώς μειωμένες απαιτήσεις του H.265 σε εύρος ζώνης και για χώρο αποθήκευσης. Είναι η βέλτιστη επιλογή για κάμερες κλειστών κυκλωμάτων που καταγράφουν σε ανάλυση HD ή 4Κ. Ο λόγος είναι διότι σε σχέση με το H.264, το νέο standard μπορεί να πετύχει ακόμα μεγαλύτερη συμπίεση χωρίς να επηρεαστεί  η ποιότητα της ανάλυσης.

Σύγκριση των δυνατοτήτων συμπίεσης των προαναφερόμενων Codecs

Σε μερικές περιπτώσεις μάλιστα τα επίπεδα συμπίεσης του νέου πρότυπου μπορούν να είναι διπλάσια διατηρώντας ταυτόχρονα την ίδια υψηλή ποιότητα καταγραφής. Αυτό αυτομάτως μεταφράζεται σε μικρότερη δέσμευση αποθηκευτικού χώρου αλλά και χρήση μειωμένου εύρους ζώνης με αποτέλεσμα την μείωση του κόστους. Επίσης, η κωδικοποίηση με H.265 προσφέρει χαμηλότερο bitrate με συνέπεια την μικρότερη καταπόνηση της υλικής υποδομής και την εξάλειψη των προβλημάτων αναπαραγωγής. Με αυτό το πρότυπο επιτυγχάνεται μείωση των bit κατά 57% σε ανάλυση 1080p και 64% σε ανάλυση 4Κ. Για την ίδια λήψη δηλαδή δεσμεύεται πολύ μικρότερος χώρος στο μέσον αποθήκευσης.

Φυσική ασφάλεια ONFIV

Στην βιομηχανία φυσικής ασφάλειας, το γνωστό ONVIF (Open Network Video Forum-πρότυπο για συστήματα ασφαλείας βασισμένα σε δίκτυα) εξελίσσεται προκειμένου να ενσωματώσει στις προδιαγραφές του τη χρήση προτύπων όπως το H.265 χωρίς όμως να εμπλέκεται άμεσα στην ανάπτυξη τους.
Το ProfileT, το νεότερο προφίλ ONVIF video που κυκλοφόρησε, θα είναι σε θέση να υποστηρίξει τα νέα πρότυπα συμπίεσης βίντεο όπως το H.265 αλλά και τα νεότερα πρότυπα συμπίεσης ήχου. Μάλιστα είναι σχεδιασμένο ώστε στο μέλλον να μην χρειάζεται  αλλαγή στην δομή όταν θα εμφανιστούν νέοι και πιο σύγχρονοι Codecs. Πάντως η υποστήριξη του ONVIF στην κωδικοποίηση H.265 βασίζεται στην πεποίθηση πως πρόκειται να είναι το πιο δημοφιλές πρότυπο συμπίεσης εικόνας.

Αλγόριθμοι

Ωστόσο, όταν μιλάμε για τεχνολογία, με βεβαιότητα μπορούμε να ισχυριστούμε πως στο μέλλον υπάρχει η προοπτική για περαιτέρω εξέλιξη των προτύπων και για ακόμα μεγαλύτερες δυνατότητες συμπίεσης με την μικρότερη επίπτωση στην ποιότητα της εικόνας. Ο παράγοντας που επηρεάζει τα επίπεδα συμπίεσης αφορά την ικανότητα του ίδιου του συστήματος να αναλύσει το περιεχόμενο των καρέ ενός καταγεγραμμένου βίντεο και να αντιληφθεί ποια στοιχεία του είναι απαραίτητα και ποια όχι.

Η διατήρηση υψηλής ποιότητας στην εικόνα με την ταυτόχρονη τήρηση των προϋποθέσεων  για περιορισμένο bandwidth και λιγότερο χώρο αποθήκευσης είναι εφικτή μόνο με την υιοθέτηση τεχνολογιών κωδικοποίησης βίντεο.  Με τη δυνατότητα αυτόματης προσαρμογής που διαθέτουν οι εφαρμογές συμπίεσης λοιπόν, αυτός ο στόχος μπορεί να επιτευχθεί. Είναι δηλαδή εφικτό για τους αλγόριθμους συμπίεσης και κατ’ επέκταση για την κάμερα ενός κυκλώματος επιτήρησης να αντιλαμβάνονται τι είναι σημαντικό σε ένα καρέ και τι όχι ώστε να ακολουθήσει η διαδικασία συμπίεσης. Οπότε, περιοχές ενός στιγμιότυπου όπου υπάρχει ξεκάθαρα ασήμαντη πληροφορία θα συμπιεστούν προς όφελος του bandwidth και του χώρου αποθήκευσης.

Υπάρχουν τρεις βασικές τεχνικές καθορίζουν τον τύπο της συμπίεσης.

1. Δυναμικές Περιοχές Ενδιαφέροντος(Dynamic Regions of Interest – ROI)

Ο εν λόγω προσαρμοστικός αλγόριθμος, είναι το κλειδί στη διατήρηση της ποιότητας  εικόνας στις περιοχές όπου το καρέ παρουσιάζει ομοιότητες. Πραγματοποιείται δηλαδή αυτόματη ανάλυση του εκάστοτε frame, προκειμένου να εντοπιστούν σημεία με εξελισσόμενο μέγεθος αλλά και διάφορα μοτίβα κίνησης. Στη συνέχεια οι τεχνικές συμπίεσης μπορούν να εφαρμοστούν και σε σημεία του καρέ πέρα από τα προαναφερόμενα και να επιτευχθεί περαιτέρω μείωση του bandwidth. Τέλος, πιο προηγμένες υλοποιήσεις του αλγόριθμου, επιτρέπουν στους ίδιους του χρήστες να ορίσουν τις περιοχές του καρέ όπου θα γίνει η συμπίεση βάσει των δικών τους αναγκών και απαιτήσεων.

2. Δυναμική ομάδα εικόνων(Dynamic Group of Pictures)

Η λειτουργία αυτού του αλγορίθμου επικεντρώνεται στην παρατηρήσιμη δραστηριότητα προκειμένου να μεταβληθεί το μέγεθος του καρέ. Η ροή ενός βίντεο που έχει κωδικοποιηθεί με το πρότυπο H.264 ή με το  H.265, αποτελείται από frame τύπου I και τύπου P. Τα πρώτα είναι μεγάλα αυτοτελή πλαίσια που μεταφέρουν όλα τα δεδομένα εικόνας, ενώ τα P-frames έχουν μικρότερο μέγεθος αφού μεταφέρουν μόνο δεδομένα κίνησης που έχουν μεταβληθεί από το προηγούμενο καρέ. Ως εκ τούτου, μια ομάδα εικόνων είναι ο συνδυασμός των I-frames ακολουθούμενα από τα P-frames. Γίνεται κατανοητό πως αυτός ο αλγόριθμος σχετίζεται με την μεταβολή των P-frames μεταξύ των I-frames μεταβάλλοντας κατ’ επέκταση και το μέγεθος της ομάδας εικόνων. Έχουμε δηλαδή λιγότερα I-frames  όταν παρατηρείται μικρή ή καθόλου κίνηση αφού απαιτούνται λιγότερα τέτοια καρέ για να αποδοθεί η σαφήνεια της εικόνας. Εάν λοιπόν έχουμε μικρότερη ροή από I-frames αυτό συνεπάγεται μικρότερες απαιτήσεις για bandwidth και χώρο αποθήκευσης. Αντίθετα όταν εντοπιστεί κάποια κίνηση, το μέγεθος της ομάδας εικόνων επιστρέφει στο αρχικό.

3. Δυναμικά καρέ ανά δευτερόλεπτο(Dynamic Frames per Second)

Όταν σε μία σκήνη δεν υπάρχει καμία κίνηση ή δραστηριότητα, η καταγραφή και η αποθήκευση δεδομένων δεν έχουν πρακτικά μεγάλη αξία. Το πλεονέκτημα λοιπόν αυτού του αλγορίθμου είναι πως μπορεί να περιορίσει σημαντικά τα καρέ ανά δευτερόλεπτο όταν δεν παρατηρείται δραστηριότητα. Το μέγεθος των δεδομένων που κωδικοποιούνται και μεταδίδονται, μπορεί να μειωθεί σημαντικά όταν το βίντεο που καταγράφεται δεν έχει τον μέγιστο αριθμό καρέ ανά δευτερόλεπτο. Αν και οι χρήστες έχουν την δυνατότητα να ορίσουν την ελάχιστη ροή των frames,  ο αλγόριθμος είναι ικανός να αλλάξει αυτόματα την ροή όποτε αυτό χρειαστεί προκειμένου να μην χαθούν ζωτικές πληροφορίες. 

4. Χρωματική Συμπίεση

Όπως θα παρατηρήσατε, οι προαναφερόμενες τεχνικές συμπίεσης σχετίζονται άμεσα με την κίνηση. Τι θα μπορούσε όμως να γίνει για να επιτύχουμε ακόμα καλύτερα αποτελέσματα.

Προκειμένου να κερδίσουμε επιπλέον εύρος ζώνης, σημαντική πρόοδος έχει συντελεστεί και στην χρωματική συμπίεση, επιτρέποντας στους τελικούς χρήστες να επωφεληθούν από τις μειωμένες απαιτήσεις για αποθηκευτικό χώρο χωρίς αυτό να εξαρτάται από την ύπαρξη δραστηριότητας σε ένα καρέ. Αυτός ο αλγόριθμος προσφέρει την απαραίτητη λύση, αφού οι παραδοσιακές τεχνικές συμπίεσης δεν είναι ικανές να φέρουν αξιόλογα αποτελέσματα εάν δεν παρατηρηθεί ουσιαστική δραστηριότητα.

Επειδή λοιπόν το ανθρώπινο μάτι δεν αντιλαμβάνεται όλα τα χρώματα του οπτικού φάσματος ως εξίσου σημαντικά, ο εν λόγω αλγόριθμος αξιοποιεί αυτό το χαρακτηριστικό αφαιρώντας από το καρέ, τα χρώματα που δεν αποτελούν προτεραιότητα για την όραση. Θα λέγαμε όμως, πως αυτή η κωδικοποίηση δρα στα όρια των αποχρώσεων μιας παλέτας και η αλλαγή δεν καθίσταται παρατηρήσιμη. Στη συνέχεια αυτά τα χρωματικά δεδομένα συμπιέζονται αποδεσμεύοντας εύρος ζώνης και αποθηκευτικό χώρο, ενώ κατά την αναπαραγωγή, πραγματοποιείται αποσυμπίεση χωρίς συμβιβασμούς στην ποιότητα της εικόνας.

Αν και ο όγκος των βίντεο από συστήματα επιτήρησης θα αυξάνεται ραγδαία, φαίνεται πως είναι εφικτό να μην δεσμεύεται από αυτά τεράστιο εύρος ζώνης αλλά και αποθηκευτικός χώρος ενώ ταυτόχρονα να μην κατασπαταλούνται χρήματα στην υποδομή του δικτύου. Οι χρήστες πλέον μπορούν να αξιοποιήσουν τα οφέλη αυτών των τεχνολογιών και να διατηρήσουν υψηλή ποιότητα εικόνας.

Η επιλογή λοιπόν ενός τέτοιου συστήματος που αξιοποιεί τις σύγχρονες τεχνικές συμπίεσης αποτελεί την λύση για τα πλούσια σε δεδομένα συστήματα επιτήρησης.