Blog

Wprowadzenie do kodowania obrazu w CCTV.

Kodowanie obrazu jest kluczowym elementem nowoczesnych systemów telewizji przemysłowej (CCTV). Proces ten polega na kompresji danych wideo w celu efektywnego przesyłania i przechowywania, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej jakości obrazu. W miarę rozwoju technologii, standardy kodowania ewoluowały, oferując coraz lepszą kompresję i jakość obrazu.

Podstawowe pojęcia w kodowaniu obrazu.

Przed zagłębieniem się w konkretne standardy, warto zrozumieć kilka kluczowych pojęć:

1. Kompresja: Proces redukcji rozmiaru danych wideo.
2. Kodek: Oprogramowanie lub sprzęt realizujący kompresję i dekompresję sygnału.
3. Bitrate: Ilość danych przesyłanych w jednostce czasu, wyrażana w bitach na sekundę (bps).
4. Framerate: Liczba klatek na sekundę (fps) w strumieniu wideo.
5. I-frame, P-frame, B-frame: Różne typy klatek używane w kompresji wideo.
6. GOP (Group of Pictures): Sekwencja klatek w kompresji wideo.

Główne standardy kodowania obrazu w CCTV.

1. MJPEG (Motion JPEG)

MJPEG to jeden z najstarszych, ale wciąż używanych standardów w CCTV.
Zasada działania:

• Każda klatka jest kompresowana oddzielnie jako obraz JPEG.
• Prosta implementacja, ale relatywnie niska efektywność kompresji.

Zalety:

• Niska latencja
• Łatwe edytowanie pojedynczych klatek
• Dobra jakość przy wysokim bitrate

Wady:

• Wysoki bitrate w porównaniu do nowszych standardów
• Brak kompensacji ruchu między klatkami

Zastosowania:

• Systemy wymagające niskiej latencji
• Aplikacje, gdzie ważna jest jakość pojedynczych klatek

2. MPEG-4 Part 2

Standard MPEG-4 Part 2 wprowadził znaczące usprawnienia w kompresji wideo.
Zasada działania:

• Wykorzystuje kompresję z kompensacją ruchu
• Używa klatek I, P i B dla efektywnej kompresji

Zalety:

• Lepsza kompresja niż MJPEG
• Obsługa zmiennego bitrate (VBR)

Wady:

• Mniej efektywny niż nowsze standardy (H.264, H.265)
• Wyższe wymagania obliczeniowe niż MJPEG

Zastosowania:

• Starsze systemy CCTV
• Aplikacje wymagające kompatybilności wstecznej

3. H.264 / AVC (Advanced Video Coding)

H.264 to obecnie najpopularniejszy standard kodowania w systemach CCTV.
Zasada działania:

• Zaawansowana kompresja z predykcją między-klatkową
• Elastyczne struktury GOP
• Adaptacyjne kodowanie entropijne

Zalety:

• Wysoka efektywność kompresji
• Dobra jakość obrazu przy niskim bitrate
• Szeroka obsługa sprzętowa

Wady:

• Wyższe wymagania obliczeniowe niż starsze standardy
• Możliwe artefakty przy bardzo niskim bitrate

Zastosowania:

• Większość nowoczesnych systemów CCTV
• Kamery IP wysokiej rozdzielczości

4. H.265 / HEVC (High Efficiency Video Coding)

H.265 to następca H.264, oferujący jeszcze lepszą kompresję.
Zasada działania:

• Ulepszona predykcja i transformacja
• Większe i bardziej elastyczne bloki kodowania
• Zaawansowane filtrowanie w pętli

Zalety:

• Do 50% lepsza kompresja niż H.264 przy tej samej jakości
• Lepsza obsługa wysokich rozdzielczości (4K, 8K)
• Ulepszona jakość przy niskim bitrate

Wady:

• Wyższe wymagania obliczeniowe
• Mniejsza kompatybilność z starszymi systemami

Zastosowania:

• Systemy CCTV wysokiej rozdzielczości
• Aplikacje wymagające maksymalnej efektywności przesyłu danych

5. VP9 i AV1

VP9 (opracowany przez Google) i AV1 (opracowany przez Alliance for Open Media) to otwarte standardy kodowania.
Zasada działania:

• Zaawansowane techniki kompresji podobne do H.265
• Otwarte i wolne od opłat licencyjnych

Zalety:

• Wysoka efektywność kompresji
• Brak opłat licencyjnych
• Dobre wsparcie w przeglądarkach internetowych

Wady:

• Mniejsze wsparcie sprzętowe w porównaniu do H.264/H.265
• Wyższe wymagania obliczeniowe

Zastosowania:

• Systemy CCTV oparte na chmurze
• Aplikacje wymagające transmisji przez przeglądarki internetowe

Porównanie efektywności kodowania.

Poniżej przedstawiono przybliżone porównanie efektywności różnych standardów kodowania przy zachowaniu tej samej jakości obrazu:

• MJPEG: 100% (punkt odniesienia)
• MPEG-4 Part 2: 50-60% bitrate MJPEG
• H.264/AVC: 30-40% bitrate MJPEG
• H.265/HEVC: 15-20% bitrate MJPEG
• VP9/AV1: Podobnie do H.265 lub nieznacznie lepiej

Wybór odpowiedniego standardu kodowania.

Przy wyborze standardu kodowania dla systemu CCTV należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

1. Wymagana jakość obrazu: Wyższe standardy (H.265, AV1) oferują lepszą jakość przy niższym bitrate.
2. Dostępna przepustowość sieci: Ograniczona przepustowość może wymagać bardziej efektywnych kodeków.
3. Pojemność magazynowa: Efektywniejsze kodeki pozwalają na dłuższy czas nagrywania.
4. Kompatybilność systemu: Starsze systemy mogą nie obsługiwać najnowszych standardów.
5. Moc obliczeniowa: Nowsze standardy wymagają większej mocy obliczeniowej do kodowania i dekodowania.
6. Latencja: Niektóre aplikacje (np. monitorowanie w czasie rzeczywistym) wymagają niskiej latencji.
7. Koszty licencyjne: Otwarte standardy (VP9, AV1) mogą być atrakcyjne ze względów ekonomicznych.

Przyszłość kodowania obrazu w CCTV.

Przyszłe trendy w kodowaniu obrazu dla systemów CCTV obejmują:

1. Dalszą optymalizację kompresji: Prace nad jeszcze efektywniejszymi algorytmami.
2. Wsparcie dla wyższych rozdzielczości: Rozwój kodeków obsługujących 8K i wyższe rozdzielczości.
3. Integrację z AI: Wykorzystanie sztucznej inteligencji do adaptacyjnej kompresji i poprawy jakości obrazu.
4. Kodowanie oparte na obiektach: Selektywna kompresja różnych elementów sceny.
5. Poprawę bezpieczeństwa: Rozwój metod szyfrowania i zabezpieczania strumieni wideo.

Podsumowanie.

Wybór odpowiedniego standardu kodowania obrazu jest kluczowy dla efektywności i skuteczności systemu CCTV. Podczas gdy H.264 pozostaje obecnie najpopularniejszym wyborem, nowsze standardy jak H.265 i AV1 oferują znaczące usprawnienia w efektywności kompresji. Przy projektowaniu lub modernizacji systemu CCTV, należy starannie rozważyć zalety i wady każdego standardu w kontekście specyficznych wymagań projektu. Wraz z postępem technologicznym, możemy spodziewać się dalszych innowacji w dziedzinie kodowania obrazu, które będą miały na celu poprawę jakości, efektywności i bezpieczeństwa systemów monitoringu wizyjnego.