Τεχνικές συμπίεσης video σε εφαρμογές CCTV

Στόχος της συμπίεσης σε ένα σύστημα οπτικής επιτήρησης και καταγραφής είναι η σμίκρυνση του όγκου των δεδομένων, χωρίς να αλλοιώνεται η πληροφορία που περιέχεται σε αυτά. Η απόδοση της συμπίεσης που επιτυγχάνεται, εξαρτάται από το σύστημα που χρησιμοποιείται.

Ο σχεδιασμός ενός σύγχρονου συστήματος οπτικής επιτήρησης, περιλαμβάνει την απαίτηση για αποθήκευση όσο το δυνατό μεγαλύτερου όγκου video, καθώς και τη μετάδοσή του σε απομακρυσμένους χρήστες, με τη βοήθεια των τηλεπικοινωνιακών δικτύων.

Οι συσκευές που υλοποιούν την παραπάνω απαίτηση, είναι τα γνωστά DVRs (Digital Video Recorders), που αντικαθιστούν τα τελευταία χρόνια με γοργούς ρυθμούς τα κοινά Time Lapse Video στις εφαρμογές CCTV. Οι σύγχρονοι εγγραφείς κάνουν ψηφιακή επεξεργασία του σήματος video που λαμβάνουν, μετατρέποντάς το σε  σειρές από δυαδικά ψηφία 0 και 1 (bits). Ο ρυθμός των δυαδικών ψηφίων (bit rate) είναι ένα μέτρο για να ορίσουμε πόσα δεδομένα μπορεί να αποθηκεύσει ένα DVR και πόσο γρήγορα μπορεί να μεταδοθεί μια εικόνα από ένα σημείο σε ένα άλλο.
Για παράδειγμα, για μια εικόνα με ανάλυση 720×576 εικονοστοιχείων (pixels), που το καθένα μπορεί να αποδοθεί με 24 bit (16 εκατομμύρια χρώματα) απαιτείται χώρος αποθήκευσης ίσος με:

ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΙΚΟΝΑΣ Χ ΒΑΘΟΣ ΧΡΩΜΑΤΟΣ Χ ΡΥΘΜΟΣ ΑΝΑΝΕΩΣΗΣ
Όπου:  Ανάλυση εικόνας: 720×576 pixels
Βάθος Χρώματος: 24 bit
Ρυθμός ανανέωσης: 25 frames/sec (PAL)

Από τα παραπάνω προκύπτει ότι απαιτούνται περίπου 30 ΜΒ/s. Δηλαδή, αν διαθέτουμε ένα DVR με χωρητικότητα 160 GB, αυτό μπορεί να αποθηκεύσει video για 2,3 ώρες περίπου.
Είναι γνωστό όμως, ότι κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει στην πραγματικότητα, όπου η ικανότητα αποθήκευσης, ενός DVR 160 GB είναι μερικών ημερών. Ποιος είναι όμως ο μηχανισμός που επιτρέπει σε ένα DVR να μπορεί να αποθηκεύει για μερικές ημέρες και όχι για 2,3 ώρες;
Η απάντηση στο ερώτημα αυτό, είναι μια λέξη: "ΣΥΜΠΙΕΣΗ".
Συμπίεση, λοιπόν, είναι η διαδικασία με την οποία αφαιρείται η πληροφορία, που είναι περιττή για το χρήστη. Στόχος της συμπίεσης είναι η σμίκρυνση του όγκου των δεδομένων, χωρίς να αλλοιώνεται η πληροφορία που περιέχεται σε αυτά. Ο όγκος και ο τύπος της πληροφορίας που αφαιρείται, εξαρτάται από το σύστημα που χρησιμοποιείται για τη συμπίεση. Όταν η διαδικασία της συμπίεσης δεν αλλοιώνει καθόλου την αρχική πληροφορία, τότε έχουμε συμπίεση χωρίς απώλειες (lossless compression). O λόγος συμπίεσης που επιτυγχάνεται είναι μικρός. Χρησιμοποιείται σε εφαρμογές όπου η πληρότητα της εικόνας είναι αδιαπραγμάτευτη (π.χ. ιατρικές εφαρμογές). Όταν η διαδικασία της συμπίεσης περιορίζει μόνιμα τον όγκο της αρχικής πληροφορίας (lossy compessiοn), ο λόγος συμπίεσης που επιτυγχάνεται είναι υψηλός. Το τίμημα που πληρώνουμε σε αυτή την περίπτωση είναι η ποιότητα της αποδιδόμενης εικόνας (σχήμα 1). Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση και τη μετάδοση του video κάνουν χρήση αυτής της τεχνικής και με αυτούς θα ασχοληθούμε στη συνέχεια.