Συμπίεση video: Γιατί στα CCTV ..μετράει και η ποιότητα και το μέγεθος!

Βασική προϋπόθεση για να μπορούμε να αξιοποιήσουμε αποτελεσματικά τις νέες δυνατότητες που προσφέρουν τα σύγχρονα συστήματα επιτήρησης είναι η συμπίεση των αρχείων video που καταγράφονται.

Οι τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα της καταγραφής στα συστήματα επιτήρησης – και ειδικότερα οι αναβαθμίσεις στην ποιότητα των εικόνων για να μπορέσουν να είναι αξιοποιήσιμες, θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τις δυνατότητες που υπάρχουν για την αποθήκευση και μετάδοση αρχείων video. Οι δυνατότητες αυτές ουσιαστικά εξαρτώνται από τη λεγόμενη συμπίεση των αρχείων.
Τι είναι λοιπόν αυτή η περίφημη συμπίεση; Είναι αυτό που φαντάζεται οποιοσδήποτε ακούει αυτόν τον όρο. Πρόκειται για σμίκρυνση του μεγέθους των αρχείων που περιέχουν τα βίντεο, χωρίς όμως να αφαιρείται πολύτιμη πληροφορία. Αυτή η προϋπόθεση είναι που κάνει πολλές φορές τη σημαντική διαφορά, ειδικά σε συστήματα ασφαλείας. Διότι ακριβώς, ειδικά στις εφαρμογές ασφαλείας, πολλές φορές είναι η λεπτομέρεια που κάνει τη διαφορά. Διαφορά, που μπορεί να φανεί εξαιρετικά χρήσιμη στην αντιμετώπιση μιας παραβατικής ενέργειας ή στη διερεύνηση ενός περιστατικού.

Τεχνολογία
Πριν αναφερθούμε στα διαφορετικά πρότυπα με τα οποία μπορεί να επιτευχθεί η συμπίεση ενός αρχείου, αξίζει να αναφερθούμε περιεκτικά στις βασικές αρχές αυτής της τεχνολογίας. Υπάρχουν τέσσερα βασικά στοιχεία όσον αφορά στον τρόπο επεξεργασίας των δεδομένων. Αυτά έχουν να κάνουν με την ταχύτητα των frames, τον ήχο, το χρώμα και την εικόνα.
Όσον αφορά στην ταχύτητα των frames, μπορούμε να αναλογιστούμε την εξοικονόμηση σε μέγεθος αρχείων που πετυχαίνουμε, αν αναλογιστούμε ότι από τα 30 frames per sec της τηλεόρασης, τα βίντεο που μεταδίδονται μέσω της υπηρεσίας YouTube είναι στα 25 fps, ενώ άλλες δικτυακές υπηρεσίες όπως το Skype μεταδίδουν βίντεο στα 15 fps. Σε συνδυασμό λοιπόν με την τεχνολογία των video analytics μπορεί να επιτευχθεί μία μείωση στον όγκο των αρχείων, με την ανάλογη μείωση στην ταχύτητα των frames. To σημαντικότερο είναι ότι αυτό μπορεί να γίνει χωρίς να χαθούν πολύτιμες πληροφορίες.
Το δεύτερο στοιχείο που έχει να κάνει με την επίδραση της επεξεργασίας του ήχου στη συμπίεση ενός αρχείου, σε αυτήν τη φάση περνάει σε δεύτερη μοίρα, μιας και για λόγους προστασίας ατομικών δικαιωμάτων δεν επιτρέπεται η καταγραφή ήχου σε εφαρμογές επιτήρησης.
H συμπίεση που επιτυγχάνεται με τη μείωση του μεγέθους της εικόνας, μπορεί να επιφέρει σημαντικά αποτελέσματα. Ουσιαστικά, ο αλγόριθμος συμπίεσης εξετάζει τις διαφορές μεταξύ των εικόνων ανά frame και αφήνει ανεπηρέαστες μόνο τις αλλαγές. Είναι γνωστή και ως χρονική συμπίεση (temporal interframe compression), όπου γίνεται σε αλληλουχία frames και η κωδικοποίηση αφορά μόνο στις διαφορές μεταξύ αυτών.
Επίσης, συμπίεση μπορεί να επιτευχθεί και με την επεξεργασία πάνω στα στοιχεία της φωτεινότητας και της χρωματικής απεικόνισης των εικόνων. Το ανθρώπινο μάτι μπορεί να ανιχνεύσει εκατομμύρια διαφορετικές αποχρώσεις και χρώματα. Ένα αρχείο όμως video επιτήρησης, δεν είναι ανάγκη να ενσωματώνει τη δυνατότητα απεικόνισης αυτής της τεράστιας γκάμας. Με την επιλογή των πιο συνηθισμένων χρωμάτων, εκ των οποίων το κάθε ένα θα αντιπροσωπεύει έναν αριθμό χρωμάτων του συνολικού χρωματικού φάσματος, μπορεί να επιτευχθεί μείωση του μεγέθους του αρχείου.
Όλα αυτά αφορούν στους τρόπους με τους οποίους μπορεί να επιτευχθεί ένα ποσοστό συμπίεσης αρχείου. Αυτοί οι τρόποι ενσωματώνονται στη διαδικασία κωδικοποίησης, με την οποία επιτυγχάνεται η συμπίεση του αρχείου. Πρόκειται για έναν αλγόριθμο λογισμικού, με τον οποίο επεξεργάζεται ψηφιακά το αρχείο και αποδίδεται στην τελική μορφή του με το μικρότερο μέγεθος.

Πρότυπα
Παρόλα αυτά, για τη συμπίεση των βίντεο υπάρχουν διαφορετικοί τύποι κωδικοποίησης, γνωστοί και σαν πρότυπα συμπίεσης. Το κάθε ένα από αυτά έχει τα πλεονεκτήματά του και τα μειονεκτήματά του. Τα τρία πρότυπα συμπίεσης με τη μεγαλύτερη διάδοση είναι το MPEG-4, το MJPEG και το H.264.

Motion JPEG
To Motion JPEG ή MJPEG είναι ένα πρότυπο μέσω του οποίου γίνεται επεξεργασία σε κάθε εικόνα ξεχωριστά, χωρίς να λαμβάνει υπόψη τη συσχέτιση μεταξύ των frames. Δηλαδή, ο κώδικας βλέπει κάθε εικόνα ξεχωριστά και την επεξεργάζεται μόνη της, χωρίς να αντιλαμβάνεται αν υπάρχουν ομοιότητες με τα γειτονικά frames. Ένα πλεονέκτημα του MJPEG είναι ότι μπορεί να επιτευχθεί η ίδια διασφαλισμένη ποιότητα για κάθε εικόνα, μέσω του βαθμού συμπίεσης που θα ορίσει ο χρήστης στην κάμερα ή στον κωδικοποιητή βίντεο. Όσο υψηλότερος είναι ο βαθμός συμπίεσης, τόσο μικρότερη θα είναι η συνολική ποιότητα των εικόνων που αποτελούν το βίντεο.
Από τη στιγμή που δεν υπάρχει αλληλεξάρτηση μεταξύ των frames στο πρότυπο MJPEG, σημαίνει ότι αυξάνεται ο βαθμός αξιοπιστίας του. Δηλαδή στην πράξη, αν για κάποιο λόγο ένα frame χαθεί κατά τη διαδικασία μετάδοσης, δεν θα επηρεαστεί το υπόλοιπο βίντεο.
Το Motion JPEG είναι ένα ελεύθερο πρότυπο. Για αυτόν το λόγο έχει διαδοθεί ευρέως και είναι δημοφιλές σε εφαρμογές όπου απαιτείται η χρήση ανεξάρτητων frames. Παραδείγματος χάρη, σε εφαρμογές με ειδικές απαιτήσεις ανάλυσης της κάθε εικόνας ή σε εφαρμογές με χαμηλό frame rate (5 frames per sec ή και χαμηλότερο).
Το σημαντικότερο μειονέκτημα του MJPEG είναι ότι επειδή ακριβώς δεν εξετάζει συνολικά την αλληλουχία των frames, δεν μπορεί να πετύχει τον ίδιο βαθμό συμπίεσης για την ίδια ποιότητα εικόνας, σε σχέση με τα πρότυπα MPEG-4 και H.264.

MPEG-4
Αν θέλουμε υψηλή ποιότητα εικόνας και ταυτόχρονα διαθέτουμε πολύ μεγάλο bandwidth, τότε το MPEG-4 αποτελεί μία από τις καλύτερες προτάσεις. Χρησιμοποιείται σε εφαρμογές υψηλών προδιαγραφών, χωρίς περιορισμούς στο frame rate. Δεν είναι ανοιχτό πρότυπο και ως εκ τούτου για τη χρήση του απαιτείται η καταβολή κάποιου αντίτιμου ανά σταθμό χρήσης. Ουσιαστικά, αυτό το κόστος ενσωματώνεται από τους προμηθευτές στο κόστος αγοράς του εξοπλισμού και για αυτό οι τελικοί χρήστες δεν το αντιλαμβάνονται.

H.264
Εδώ και λίγα χρόνια, με την έλευση του Η.264 έχει γίνει μια σημαντική ανακατάταξη στο χώρο των προτύπων για τη συμπίεση των βίντεο. Όλοι οι κατασκευαστές προσπαθούν να παρουσιάσουν προϊόντα συμβατά με αυτό το πρότυπο, το οποίο μέσα σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα έχει αποκτήσει την πρωτοκαθεδρία.
Το H.264, γνωστό και ως MPEG-4 Part 10/ AVC (Advanced Video Coding), προέρχεται από τη συνεργασία των δύο φορέων που έχουν τον κύριο ρόλο στη διαμόρφωση των προτύπων για το video compression. Τον ISO (International Standardisation Organization) και τη Διεθνή Τηλεπικοινωνιακή Ένωση (International Telecommunication Union – ITU). Ο ISO έχει αναπτύξει τη σειρά προτύπων MPEG και η ITU τη σειρά H26x. Αντιλαμβανόμενοι τις απαιτήσεις της αγοράς, δημιούργησαν μια ομάδα εργασίας, τη Joint Video Team (JVT) και αποτέλεσμα αυτής ήταν η εμφάνιση του Η.264.
Το μυστικό πίσω από την επιτυχία του H.264 είναι ότι χωρίς μεγάλες εκπτώσεις στην ποιότητα της εικόνας, μπορεί να πετύχει λόγους συμπίεσης πολύ μεγαλύτερους από τα άλλα δύο πρότυπα. Ογδόντα τοις εκατό, συγκρινόμενο με το Motion JPEG και 50% με το MPEG. Αυτό οδηγεί σε πολύ μικρότερες ανάγκες όσον αφορά στη δημιουργία αποθηκευτικών συστημάτων και τη δυναμικότητα των δικτύων. Από τη στιγμή μάλιστα που οι κάμερες megapixel έχουν πλέον καθιερωθεί στην αγορά σαν βασική επιλογή, η διάδοση του H.264 μοιάζει αναπόφευκτη.

Το μειονέκτημα του H.264 είναι ότι ενώ εξοικονομεί πόρους όσον αφορά στα δίκτυα και την αποθήκευση των δεδομένων, απαιτεί περισσότερη υπολογιστική ισχύ στα σημεία όπου γίνεται η κωδικοποίηση των βίντεο. Δηλαδή στις δικτυακές κάμερες και στους σταθμούς καταγραφής (NVR ή DVR). Για το λόγο αυτό και για να δώσει το H.264 αυτό που πραγματικά μπορεί, θα πρέπει να υλοποιηθεί σε ένα σωστά σχεδιασμένο σύστημα CCTV. Δηλαδή ο εξοπλισμός να διαθέτει την απαιτούμενη υπολογιστική ισχύ, για να μπορεί να κωδικοποιεί τα βίντεο σε μορφή H.264. Από τη στιγμή που αυτό επιτευχθεί, τα αποτελέσματα των αρχείων H.264 τόσο σε ποιότητα εικόνας όσο και σε καταγραφή frames, είναι εντυπωσιακά σε σχέση με τον ανταγωνισμό.

Σήμερα και στο μέλλον
Όλα δείχνουν ότι αυτήν τη στιγμή το Η.264 αποτελεί το πρότυπο γύρω από το οποίο θα υλοποιηθούν τα συστήματα CCTV. Αυτό θα ισχύσει και στο μέλλον, μέχρι να προκύψει κάποια καλύτερη εναλλακτική πρόταση. Όπως άλλωστε και σε όλες τις τεχνολογικές εξελίξεις, η βελτίωση μέσω της αντικατάστασης είναι αναπόφευκτη. Όμως – αν και είναι επικίνδυνο να κάνεις προβλέψεις στην εποχή της ψηφιακής τεχνολογίας – φαίνεται ότι αυτή η στιγμή τουλάχιστον για τις εφαρμογές CCTV, δεν θα είναι ιδιαίτερα κοντά. Αυτό που επιζητείται στη συμπίεση βίντεο είναι η επίτευξη της επιθυμητής ισορροπίας ανάμεσα στην ποιότητα και στο μέγεθος του αρχείου. Αυτήν ακριβώς την ισορροπία φαίνεται ότι τη δίνει με τον καλύτερο δυνατό τρόπο η χρήση του H.264 και για το λόγο αυτό απέκτησε τη σημερινή του θέση στο χώρο των προτύπων, ενώ δεν φαίνεται να υπάρχει κάποιος σοβαρός αντίπαλος – τουλάχιστον στο προσεχές μέλλον.

Του ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗ ΛΥΜΠΕΡΟΠΟΥΛΟΥ