Эффективность кодирования в камерах с высоким разрешением

Видеонаблюдение является одной из технологических областей, находящихся на острие прогресса. Это неудивительно, поскольку видеонаблюдение уже стало основным фундаментом для разнообразных систем безопасности.

Современные камеры используются и для решения множества других задач, на первый взгляд никак не связанных с обеспечением безопасности на объекте. В частности, можно говорить о сборе данных для маркетинговых целей, например для построения температурных карт магазина или оценки конверсии торговой точки. Видеокамеры в составе специализированного программного обеспечения могут применяться дляавтоматического решения множества задач. Раньше для этого часто требовалось непосредственное участие человека: обнаружение подозрительного поведения, детекция толпы, допуск транспорта по автономерам, обнаружение и распознавание лиц. Некоторые пункты этого списка уже реализуются на борту самих видеокамер.

Однако возрастающие объемы видеоинформации, поступающие от все увеличивающегося количества устройств, требуют и соответствующих доработок принципов хранения данных. В случае хранения только информации о зафиксированных срабатываниях детекторов, увеличения объема памяти вполне достаточно. Но когда речь заходит о долгосрочном хранении видеозаписей, проблема становится значительно серьезнее. Наблюдается и постоянное увеличение разрешения снимаемого видео. Это позволяет получить более качественное решение описанных проблем, но вместе с тем требует и большего места для хранения.

Вторым способом увеличения полезного объема архива является применение новых функциональных возможностей сжатия видео. Разработчики учитывают эту необходимость и внедряют в свои модели самые актуальные технологии и способы кодирования. Так, кодек H.265 получил широкое распространение, и уже сложно найти видеокамеру, не позволяющую вести запись в таком формате. Многие компании предлагают свои собственные алгоритмы и дополнительные средства для уменьшения итогового битрейта видео с сохранением высокого качества и детализации картинки.

Что тестируем?

В этот раз мы решили протестировать эффективность сжатия видео в камерах с высоким разрешением при использовании кодека H.265. И помимо этого, проверить и дополнительные возможности по экономии архива, предлагаемые производителями. А с этой целью мы собирали камеры со следующими ограничениями:

• поддержка кодека H.265;
• поддержка дополнительных алгоритмов улучшения сжатия;
• стоимость до 30 тыс. руб.

Какие модели были предоставлены на тест?

В результате в лаборатории оказались следующие образцы:

• BEWARD SV3215RZ;
• Novicam PRO NC41WP;
• QTECH QVC-IPC-501ASZ (2.8-12);
• Smartec STC-IPM5200/1 Estima.

Как будем проводить измерения?

Для оценки кодирования мы проведем испытания при принудительной установке скорости съемки 15 кадр/с для всех камер.

Измерение максимального разрешения камер будем проводить по стандартным тестовым таблицам при изменении освещенности от 500 лк до 1 лк. Определим битрейт, с которым осуществляется запись видеоизображения. Эти тесты будут повторены при включении дополнительного алгоритма улучшения сжатия, доступного в камерах. В ходе теста съемка будет проводиться в режиме VBR.

Измерим минимальный битрейт, при котором все камеры могут записывать видео с одинаковым горизонтальным разрешением при вращении тестовой таблицы со скоростями 3 и 5 об/мин. В тесте за такое разрешение принималось 900 линий. Съемка осуществляется в режиме CBR и проводится принудительное ограничение битрейта, чтобы управлять фактическим разрешением видеокамер. Таким образом, значение битрейта вручную уменьшается в настройках камеры до тех пор, пока на изображении не удастся распознать только 900 линий.

Novicam PRO NC41WP

Лидирует по эффективности работы алгоритма улучшения сжатия при съемке статического объекта (рис. 2). Входит в число лидеров при съемке динамического объекта на скорости 3 об/мин с алгоритмом улучшения (рис. 3) и 5 об/мин без него (рис. 4).Производитель отмечает, что уличная всепогодная IP-видеокамера Novicam PRO NC41WP передает изображение с разрешением 4 Мпкс на скорости до 20 кадр/с. Компания подчеркивает, что применила в своей модели связку мегапиксельного сенсора и производительного процессора для превращения камеры в мультифункциональное устройство.

Стоит обратить внимание, что тестируемая модель, в отличие от других камер, оснащена фиксированным объективом, по умолчанию показывающим худшую светосилу по сравнению с вариофокальными. Но несмотря на это, модель продемонстрировала достаточно хорошие результаты по разрешению. В камере использован мегапиксельный объектив 2,8 мм c ИК-коррекцией, что обеспечивает четкую картинку как при использовании ИК-подсветки, так и без нее. Отмечается, что камера оснащена механическим (сдвигаемым) ИК-фильтром, что позволяет исключить искажения цветов в дневное время и получать изображение в ночное время при использовании встроенной ИК-подсветки с эффективной дальностью до 30 м. Разработчик заявляет следующие углы подсветки: основной – 35 град., рассеянный – до 120 град. В камере заявлен класс защиты IP67 для обеспечения эксплуатации в любых погодных условиях.Производитель подчеркивает, что для осуществления управления камерой реализован бесплатный облачный сервис P2P, работающий с различными операционными системами, в том числе на мобильных устройствах. Для связи с IP-видеорегистраторами и программным обеспечением заявлена поддержка стандарта ONVIF.

Результаты испытаний

Все камеры показали достаточно хорошую равномерность разрешения при съемке статической сцены. При этом на графике наблюдается снижение разрешения при снижении освещенности, характерное для всех видеокамер (рис. 1).

Инсталлятору следует учитывать этот факт, если планируется вести видеонаблюдение в условиях возможного снижения внешней освещенности.

Именно эту проблему обычно решают за счет применения ИК-подсветки непосредственно в самой камере или в качестве отдельного прожектора.

В некоторых моделях при снижении освещенности наблюдалось скачкообразное увеличение битрейта при съемке без алгоритмов улучшениясжатия (рис. 2). Включение этих алгоритмов позволило сильно сгладить подобные скачки битрейта. Кроме того, алгоритмы улучшения сжатия позволили уменьшить и среднее значение битрейта.

С практической точки зрения повышение эффективности кодирования видео позволяет значительно увеличить время заполнения видеоархива. Если проанализировать полученные усредненные значения, можно приблизительно представить продолжительность непрерывной видеозаписи. Так, на специализированный жесткий диск объемом 1 Тбайт запись может вестись в течение примерно 56 дней (без алгоритмов улучшения сжатия – 40 дней). После настройки записи по событию время заполнения такого архива значительно увеличивается.

Однако эти характеристики получены при съемке статической картины и хорошо отражают ситуацию, когда продолжительное время наблюдается неизменная сцена. И хотя наблюдение в подобных условиях является частым явлением (например, контроль периметра), стоит учесть, что видеокамеры все-таки используются для контроля и динамических сцен.

Поскольку все модели показали разные результаты измерения разрешения и битрейта, стоило ограничить один из этих связанных параметров. В нашем случае мы решили оценить битрейт камер при съемке вращающейся таблицы с одинаковым фактическим разрешением 900 линий. Это разрешение доступно всем камерам и достаточно для решения большинства практических задач видеонаблюдения.

Использование алгоритмов улучшения сжатия могло приводить как к уменьшению, так и к незначительному увеличению битрейта у некоторых участников (рис. 3) в сравнении со съемкой без них. Тем не менее алгоритмы улучшения сжатия в целом позволили получить небольшое уменьшение итогового битрейта.

Вероятно, такое поведение связано непосредственно с самим запрограммированным алгоритмом улучшения сжатия. К примеру, он может "сглаживать" различия между двумя соседними кадрами. А в этом случае в статической картине могут получиться значительно лучшие результаты сжатия, чем в аналогичной динамической. Кроме того,эти алгоритмы могут непосредственно влиять и на детализацию при увеличении скорости вращения.

Битрейт заметно увеличивается при увеличении скорости вращения (рис. 4). Присутствуют камеры, у которых в этом режиме включение алгоритма улучшения сжатия приводит к увеличению битрейта. Но средняя величина остается примерно одинаковой в обоих режимах.

В итоге использование алгоритма улучшения сжатия немного уменьшило средний битрейт камер при скорости вращения 3 об/мин и незначительно увеличило его при скорости вращения 5 об/мин. А значит, и эффективность применения алгоритмов улучшения сжатия может быть различной. Стоит учитывать, что процент движения в нашем тесте превышал 50% от размера кадра. На практике продолжительная съемка такой сцены маловероятна.

Наиболее часто встречается ситуация, когда в кадре ничего не происходит, за исключением периодического движения на участке, составляющем около 20% изображения (к примеру, проход людей).

Подведем итоги

Все видеокамеры показали хорошее качество видеосъемки, даже несмотря на принудительное ухудшение внешних условий. Применение актуальных технологий сжатия видео совместно со специализированными алгоритмами действительно позволяет получить высокодетализированную картинку. При этом вполне возможно сохранить экономичность использования канала передачи и емкость видеоархива. Инсталлятору стоит учитывать, что съемка динамической сцены с включенным алгоритмом улучшения сжатия в некоторых случаях может привести к увеличению битрейта.

Мы наглядно продемонстрировали, что использование в моделях дополнительных технологий сжатия видеосигнала не является лишь маркетинговым ходом. Вполне очевидно, что их применение, вкупе с грамотной настройкой, позволяет значительно сэкономить видеоархив.

А дальнейшее развитие технологий кодирования видео вполне позволит сохранять небольшой объем видеоданных даже при значительном увеличении разрешения применяемых в камерах сенсоров.