Πρότυπο συμπίεσης βίντεο Hikvision H.265+

Πριν από μερικά χρόνια αναπτύχθηκε η κάμερα παρακολούθησης ανάλυσης Ultra HD. Ωστόσο, δεν είχε υιοθετηθεί ευρέως μέχρι τώρα επειδή απαιτεί μεγάλο εύρος ζώνης μετάδοσης και τεράστια χωρητικότητα αποθήκευσης. Έτσι, ο περιορισμός του bitrate της ροής βίντεο Ultra HD γίνεται ένα κρίσιμο πρόβλημα που καθορίζει τη δημοτικότητα των καμερών υψηλής ευκρίνειας.

Πριν από μερικά χρόνια αναπτύχθηκε η κάμερα παρακολούθησης ανάλυσης Ultra HD. Ωστόσο, δεν είχε υιοθετηθεί ευρέως μέχρι τώρα επειδή απαιτεί μεγάλο εύρος ζώνης μετάδοσης και τεράστια χωρητικότητα αποθήκευσης. Έτσι, ο περιορισμός του bitrate της ροής βίντεο Ultra HD γίνεται ένα κρίσιμο πρόβλημα που καθορίζει τη δημοτικότητα των καμερών υψηλής ευκρίνειας.

Η τεχνολογία H.265+ είναι ένας έξυπνος αλγόριθμος που αναπτύχθηκε από την Hikvision. Είναι μία αξιοσημείωτη τεχνολογία κωδικοποίησης, βασισμένη στο πρότυπο H.265/HEVC (Κωδικοποίηση Βίντεο Υψηλής Απόδοσης) και βελτιστοποιείται λαμβάνοντας πλήρως υπόψη τα ακόλουθα χαρακτηριστικά του βίντεο παρακολούθησης:

• · Οι πληροφορίες στο παρασκήνιο (background) παραμένουν σταθερές και σπάνια αλλάζουν.
  · Τα κινούμενα αντικείμενα ενδέχεται να εμφανίζονται μόνο μερικές φορές σε σημαντικό τμήμα του βίντεο παρακολούθησης.
  · Ο θεατής επικεντρώνεται κυρίως στα κινούμενα αντικείμενα.
  · Σε 24 ώρες συνεχούς παρακολούθησης ο θόρυβος στο βίντεο μπορεί να έχει σχετικά μεγάλες επιπτώσεις στην ποιότητα της εικόνας.

Το H.265+ είναι σε θέση να μειώσει σημαντικά το bitrate του βίντεο παρακολούθησης έτσι ώστε να μειώσει το το εύρος ζώνης και το κόστος αποθήκευσης.

Κύριες τεχνολογίες

Το H.265+ βελτιώνει τον λόγο συμπίεσης που βασίζεται σε τρεις βασικές τεχνολογίες:  τεχνολογία κωδικοποίησης με πρόβλεψη (prediction encoding) βασισμένη στο μοντέλο του παρασκηνίου, τεχνολογία καταστολής θορύβου του παρασκηνίου και μακροχρόνια τεχνολογία ελέγχου ροής δεδομένων.

Κωδικοποίηση με πρόβλεψη

Οι τρέχοντες αλγόριθμοι συμπίεσης, όπως οι MPEG2, MPEG4, H.264/AVC, και ο πιο πρόσφατος H.265/HEVC, βασίζονται στο πλαίσιο της υβριδικής κωδικοποίησης. Η κωδικοποίηση με πρόβλεψη είναι μία από τις βασικές τεχνολογίες που επηρεάζουν την απόδοση της συμπίεσης του βίντεο. Η τεχνολογία αυτή μπορεί να χωριστεί σε κωδικοποίηση πρόβλεψης μεταξύ πλαισίων (inter-frame) και πρόβλεψη εντός πλαισίου (intra-frame).

• · Η πρόβλεψη μεταξύ πλαισίων δημιουργεί ένα μοντέλο πρόβλεψης από ένα ή περισσότερα προηγουμένως κωδικοποιημένα πλαίσια βίντεο ή πεδίων, χρησιμοποιώντας αντιστάθμιση κίνησης βασισμένα σε μπλοκ.
  · Η πρόβλεψη εντός πλαισίου σημαίνει ότι τα δείγματα ενός macroblock (μονάδα επεξεργασίας) προβλέπονται αποκλειστικά από τη χρήση πληροφοριών από ήδη μεταδιδόμενα macroblock του ίδιου πλαισίου.

Για διαφορετικά πλαίσια στη ροή βίντεο, υιοθετούνται διαφορετικές μέθοδοι κωδικοποίησης. Τα I-Frame μπορούν να κωδικοποιηθούν ξεχωριστά και υιοθετούν την τεχνολογία κωδικοποίησης πρόβλεψης εντός πλαισίου. Η κωδικοποίηση Ρ-Frame βασίζεται στην κωδικοποίηση του I-Frame ή του P-Frame και υιοθετεί την τεχνολογία κωδικοποίησης πρόβλεψης εντός πλαισίου.

Κωδικοποίηση P-Frame

Με τη πρόβλεψη εντός πλαισίου, μπορεί να μειωθεί το bitrate συμπιέζοντας μόνο τη διαφορά μεταξύ του τρέχοντος πλαισίου και του πλαισίου αναφοράς. Επομένως, η επιλογή ενός κατάλληλου πλαισίου αναφοράς είναι το κλειδί για τη βελτίωση του λόγου συμπίεσης της ροής. Για ένα βίντεο επιτήρησης, οι πληροφορίες παρασκηνίου είναι συνήθως σταθερές. Έτσι, μπορούμε να εξαγάγουμε ένα πλαίσιο παρασκηνίου ως πλαίσιο αναφοράς για κωδικοποίηση. Το πλαίσιο παρασκηνίου θα πρέπει να περιέχει όσο το δυνατόν λιγότερα κινούμενα αντικείμενα.

Όπως φαίνεται στην εικόνα 1, μεταξύ των τριών πλαισίων, τα Τ0 και Τ1 είναι οι κωδικοποιημένες εικόνες. Μπορούμε να πάρουμε ένα πλαίσιο παρασκηνίου ως πλαίσιο αναφοράς και στη συνέχεια να κωδικοποιηθεί το T2 με βάση τις ομοιότητες και τις διαφορές μεταξύ των T1 (πλαίσιο αναφοράς) και T0 (πλαίσιο παρασκηνίου). Επειδή το T0 περιέχει τα λιγότερα κινούμενα αντικείμενα, είναι μια καλή επιλογή ως πλαίσιο παρασκηνίου.

Μπορούμε να εξάγουμε το κινούμενο αντικείμενο από το T1 και το T2, όπως φαίνεται στην εικόνα 2. Το αντικείμενο κινείται από το B στο Α, κατά την κωδικοποίηση του πλαισίου Τ2, η περιοχή Β είναι η πρόσφατα εκτεθειμένη περιοχή.

I-Frame και κωδικοποίηση R-Frame

Το I-frame εμφανίζεται κάθε λίγα δευτερόλεπτα κατά την κωδικοποίηση του βίντεο παρακολούθησης. Ως αποτέλεσμα, το bitrate του I-frame καταλαμβάνει αρκετά υψηλό ποσοστό κατά την κωδικοποίηση, ειδικά για ένα περιβάλλον που είναι σχετικά ακίνητο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το I-frame μπορεί να απαιτήσει το πενήντα τοις εκατό των πόρων κωδικοποίησης. Επιπλέον, οι πληροφορίες που εμφανίζονται από το I-frame είναι επαναλαμβανόμενες όταν το φόντο είναι σταθερό. Προκειμένου να μειωθεί το κόστος bitrate του επαναλαμβανόμενου πλαισίου Ι, το H.265+ σχεδιάζει μια πρόβλεψη (βάσει του μοντέλου παρασκηνίου) που φαίνεται στην εικόνα 3.

Με το R-frame, το κόστος bitrate μπορεί να μειωθεί, ενώ είναι επίσης εγγυημένη η εμπειρία αναπαραγωγής για τον χρήστη. Δείτε στην παρακάτω εικόνα τη διαδικασία κωδικοποίησης R-frame. Τα κινούμενα αντικείμενα, τα οποία είναι σημειωμένα με κόκκινα ορθογώνια, κωδικοποιούνται με την κωδικοποίηση πρόβλεψης εντός πλαισίου και έχουν καλή ποιότητα. Το φόντο υιοθετεί την κωδικοποίηση πρόβλεψης μεταξύ πλαισίων.

Καταστολή θορύβου

Κανονικά, προκειμένου να διασφαλιστεί η ποιότητα απεικόνισης των κινούμενων αντικειμένων, η μονάδα κωδικοποίησης κωδικοποιεί επίσης και το θόρυβο του περιβάλλοντος. Αλλά τώρα με τον αλγόριθμο ευφυούς ανάλυσης που μπορεί να διακρίνει μεταξύ της εικόνας του παρασκηνίου και των κινούμενων αντικειμένων, τα κινούμενα αντικείμενα και το φόντο μπορούν να κωδικοποιηθούν με διαφορετικές στρατηγικές κωδικοποίησης. Όπως φαίνεται στην εικόνα 5, ο αλγόριθμος ευφυούς ανάλυσης εξάγει την εικόνα του φόντου και το κινούμενο όχημα. Η εικόνα του φόντου κωδικοποιείται με υψηλή συμπίεση προκειμένου να κατασταλεί ο θόρυβος και να μειωθεί το bitrate.

Μακροχρόνιος έλεγχος του bitrate

Η Hikvision εισάγει μία νέα αντίληψη για το bitrate, με ονομασία “Long-Term Average Bitrate”, ώστε να γίνεται  πλήρης χρήση του bitrate. Ως Long-Term Average Bitrate νοείται ο μέσος όρος bitrate κατά τη διάρκεια διαφόρων χρονικών περιόδων (συνήθως 24 ώρες). Με τον έλεγχο του μέσου bitrate, η κάμερα μπορεί να αντιστοιχίσει μεγαλύτερο bitrate στις ενεργές ώρες, ενώ μειώνει το bitrate στις ώρες αναμονής  (όπως 0:00 – 9:00 και 20:00 – 24:00 στο γραφείο), όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα (με έλεγχο σταθερού bitrate ως παράδειγμα).

Έλεγχος σταθερού bitrate

Για την κωδικοποίηση H.265 με σταθερό bitrate, το bitrate έχει ελαφριά διακύμανση που πλησιάζει την προκαθορισμένη μέγιστη τιμή bitrate. Με το H.265+, το μέσο bitrate μπορεί να διατηρηθεί στην μισή τιμή του μέγιστου bitrate (για παράδειγμα, στην επιτήρηση ενός γραφείου, ο πραγματικός ρυθμός μείωσης του bitrate μπορεί να διαφέρει ανάλογα με τις διαφορετικές σκηνές παρακολούθησης) και η ποιότητα της εικόνας μπορεί να
βελτιστοποιηθεί, αφού η τεχνολογία H.265+ κάνει πλήρη χρήση κάθε bit.

Έλεγχος μεταβλητού bitrate

Στη λειτουργία μεταβλητού bitrate, το στιγμιαίο bitrate ποικίλλει ανάλογα με την δραστηριότητα της σκηνής, ενώ η ποιότητα της εικόνας είναι σταθερή. Όταν είναι ενεργοποιημένο το H.265+, η αλλαγή του bitrate μπορεί να χωριστεί σε δύο περιπτώσεις.

• Εάν η μέση τιμή bitrate είναι περιορισμένη, η κωδικοποίηση H.265+ μπορεί να προσφέρει καλύτερη ποιότητα εικόνας με το περιορισμένο bitrate.
• Εάν η μέση τιμή bitrate είναι υψηλή για τη σκηνή παρακολούθησης, ο πραγματικός μέσος όρος του bitrate μπορεί να είναι χαμηλότερος από την προκαθορισμένη τιμή, επομένως μπορεί να γίνει εξοικονόμηση αποθηκευτικού χώρου.

Αποτελέσματα δοκιμών μείωσης του bitrate

Η δοκιμή μείωσης του bitrate βασίζεται στις κάμερες 1080p@25fps. Τα αποτελέσματα είναι χωρισμένα σε δύο μέρη: η σύγκριση του στιγμιαίου bitrate υπό διαφορετικές συνθήκες και το μέγεθος αρχείου εγγραφής διάρκειας 24 ωρών, όπως προκύπτουν από διαφορετικά πρότυπα κωδικοποίησης.

Α. Στιγμιαίο bitrate διαφορετικών σκηνών

Πίνακας 1. Σύγκριση στιγμιαίου bitrate μεταξύ της συμπίεσης H.264 και της Hikvision H.265+

Πίνακας 2. Σύγκριση στιγμιαίου bitrate μεταξύ της συμπίεσης H.265 και της Hikvision H.265+

Συμπέρασμα:

1. Ο μέσος όρος μείωσης του bitrate μεταξύ του H.264 και του Hikvision H.265+ είναι 83,7%, και μεταξύ του H.265 και του Hikvision H.265+ είναι 66,8%. To Hikvision H.265+ έχει τη δυνατότητα να μειώσει δραστικά το bitrate στην ίδια σκηνή.
2. Ο ρυθμός μείωσης του bitrate πέφτει καθώς αυξάνεται ο αριθμός των κινούμενων αντικειμένων στην σκηνή.

Β. Μέγεθος αρχείου εγγραφής διάρκειας 24 ωρών, από διαφορετικές σκηνές

Σκηνή 1η: Καφέ

Πίνακας 3. Σύγκριση αρχείων διάρκειας 24 ωρών, καφέ

Σκηνή 2η: διασταύρωση

Πίνακας 4. Σύγκριση αρχείων διάρκειας 24 ωρών, διασταύρωση

Συμπέρασμα:

1. Για την παρακολούθηση του καφέ, ο μειωμένος ρυθμός του μεγέθους του αρχείου των 24 ωρών μεταξύ του H.264 και του Hikvision H.265+ είναι 82,5%, και το αντίστοιχο ποσοστό μεταξύ του H.265 και του Hikvision H.265+ είναι 66,4 τοις εκατό.
2. Για την παρακολούθηση της διασταύρωσης, ο μειωμένος ρυθμός του μεγέθους του αρχείου των 24 ωρών μεταξύ του H.264 και του Hikvision H.265+ είναι 79,4 τοις εκατό, και το αντίστοιχο ποσοστό μεταξύ του H.265 και του Hikvision H.265+ είναι 64,5 τοις εκατό.

Το Hikvision H.265+ μπορεί να μειώσει σημαντικά το μέγεθος του αρχείου της ημερήσιας παρακολούθησης και να μειώσει τελικά το κόστος αποθήκευσης.

Περίληψη

Το Hikvision H.265+ είναι μια βελτιστοποιημένη τεχνολογία κωδικοποίησης βασισμένη στο πρότυπο συμπίεσης H.265/HEVC. Με το H.265+, η ποιότητα του βίντεο είναι σχεδόν ίδια με αυτή του H.265/HEVC, αλλά με μικρότερο εύρος ζώνης μετάδοσης και χωρητικότητα αποθήκευσης. Επεκτείνει την εφαρμογή του βίντεο Ultra HD στον τομέα της επιτήρησης βίντεο, όπως σε συσκευές 8MP και 12MP. Το Hikvision H.265+ ακολουθεί το πρότυπο H.265/HEVC και είναι συμβατό με το μεγαλύτερο μέρος του λογισμικού και hardware που υποστηρίζει το H.265. Διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη μείωση του κόστους αποθήκευσης και την προώθηση της δημοτικότητας του βίντεο Ultra HD.

Πηγή White Paper: HIKVISION H.265+ Encoding Technology. Halve Your Bandwidth and Storage, Enjoy the Ultra HD and Fluency

{gallery}6477{/gallery}