Kompresja M-JPEG, MPEG, H.264

Kompresja M-JPEG, MPEG, H.264.

W kwestii cyfrowych rozwiązań wideo IP coraz większą rolę odgrywają standardy kompresji obrazu. Obecne, coraz bardziej technologicznie zaawansowane urządzenia posiadają różne możliwości natychmiastowej kompresji strumienia wideo, zanim będzie on wysłany do rejestratora. Tym samym łącze nie musi mieć bardzo dużej przepustowości, a rejestrowany obraz wideo zajmuje mniej miejsca na dysku.

Im lepszy rodzaj kompresji, tym mniejsze zapotrzebowanie na pasmo, przy zachowaniu takiej samej odczuwalnej jakości. Historia kompresji wideo sięga początku lat 80-tych, a dziś trzy główne formaty kompresji w kamerach przemysłowych to H.264, MJPEG i MPEG-4. Każdy z nich ma swoje wady i zalety, dlatego każdy stosowany jest do odpowiednich przeznaczeń.

Format MJPEG łączy ze sobą kolejne obrazy skompresowane JPEG-iem, a MPEG-4 przesyła pełne obrazy co kilka klatek, uzupełniając je samymi zmianami. Najnowszy i najbardziej zaawansowany rodzaj kompresji to nowa część standardu MPEG-4, czyli H.264. Znalazła tu zastosowanie predykcja w kodowaniu obrazów, ale też podział obrazu na bloki o różnych rozmiarach. Po takimi względami jak szerokość pasma, objętość archiwum czy czas pobierania archiwum przez sieć H.264 ma przewagę nad MPEG-4 rzędu 30%.

Pojęcie kompresji zawsze rozważać trzeba jako zmniejszenie objętości obrazu, które musi być powiązane z utratą jego jakości, jednak poszczególne rozwiązania odznaczają się tu różną skutecznością. Kompresja obrazu dotyczy przede wszystkim redukcji odcieni kolorów, mniejszej rozdzielczości barw, a także usuwania niewidocznych fragmentów obrazu. Standardy MPEG oraz H.26x dodatkowo przechwytują zmiany zachodzące w obrazie, co wymaga mniejszej przepustowości łącza.

M-JPEG

M-JPEG, czyli Motion JPEG to standard, w którym kompresja dotyczy każdej ramki w sekwencji obrazu. Procesor nie jest w tym przypadku nadmiernie obciążony i nie potrzeba dużej ilości pamięci operacyjnej, a metoda jest szybka. W standardzie M-JPEG nie następuje skomplikowana analiza ramek i zachodzących w nich zmian, a współczynnik kompresji to standardowo 10:1. M-JPEG najlepiej sprawdza się w niewielkich systemach nadzoru wizyjnego, z dużą przepustowością łącza i dużą przestrzenią dyskową, zapewniając z jednej strony wysoką jakość obrazu, a z drugiej szybki dostęp do gromadzonych danych. Można tu analizować każdą klatkę, obraz ma równomierną objętość i stanowi doskonały materiał dowodowy, a dodatkowo jest to rozwiązanie najmniej kosztowne. Tym samym nadal M-JPEG pozostaje najbardziej popularnym standardem kompresji danych.

MPEG

W przypadku standardu MPEG obraz analizowany jest na zupełnie innej zasadzie. Występują tu trzy rodzaje ramek – statyczna I-Frame oraz dynamiczne B-Frame i P-Frame, które stanowią dla siebie odniesienie i rejestrowane są dzięki wektorowi ruchu. Ramka statyczna jest zapisana jako JPEG, a ramki dynamiczne pozwalają na analizę różnic. Transmisja ma tu miejsce wyłącznie w ramkach dynamicznych, co pozwala na ograniczenie wielkości przepływu danych, a im mniej ruchu da się zaobserwować, tym objętość transmisji jest mniejsza. Współczynnik kompresji w MPEG to 30:1 i więcej. Dzięki mniejszej objętości danych, zebrany materiał może być przechowywany dłużej i nie trzeba dysponować ogromnymi przestrzeniami dyskowymi, jednak trzeba pamiętać, że nie zawsze uzyskać tu można wysokiej jakości materiał dowodowy, a zarówno procesor, jak i bufor pamięci są bardziej obciążone.

H.264

Standard H.264 stanowi rozszerzenie wobec MPEG i obecnie jest najczęściej stosowanym algorytmem kompresji w urządzeniach do rejestracji i transmisji obrazu wideo. Technika działania pozostaje ta sama, jednak algorytm jest bardziej skomplikowany. Są tu wykorzystywane o połowę mniejsze bloki, a dodatkowo zachodzą liczne zaawansowane procesy poprawiające jakość obrazu, takie jak kwantyzacja. Redukcja danych dzięki kwantyzacji obejmuje zmniejszenie liczby kolorów poprzez usunięcie wysokich częstotliwości obrazu, niedostrzegalnych przez ludzkie oko, co pozwala na zachowanie wiernego odwzorowania. W H.264 zastosowanie znajduje też tzw. przewidywanie przestrzenne, czyli zastępowanie składników danego bloku identycznymi, występującymi w sąsiedztwie. Kodek wyciąga też ruch z jednej ramki dla innej, może zastępować sekwencje czy zapamiętywać ustawienia światła i kolorów. Są tu wykorzystywane zaawansowane systemy kompresji danych, a wszystkie mają jeden cel – maksymalna kompresja i jak najmniejsza utrata jakości obrazu. H.264 uznawany jest za rozwiązanie bardzo przyszłościowe, a objętość pliku wideo jest zredukowana 80% bardziej niż w MJPEG i 50% bardziej niż w MPEG-4. Nie jest tu potrzebna wysoka przepustowość, standard jest elastyczny i doskonale sprawdza się przy scenach z umiarkowaną dynamiką i w podglądzie zdalnym. Jednocześnie jednak wybierając H.264 trzeba liczyć się z dużym obciążeniem procesora CPU i GPU oraz pamięci, gorzej wypada on też w przypadku trudnych warunków pogodowych – deszczu czy śniegu.

Każdy standard kompresji wiąże się z jakąś stratą w materiale pierwotnym, spada jego objętość, a często też jakość. Kolejne badania prowadzą jednak do opracowywania coraz bardziej efektywnych algorytmów kompresji, skrócenia czasu całego procesu, jak i zwiększenia jakości obrazu.