Bez efektivní komprese by většina lokálních sítí (LAN) přenášejících video data zkolabovala do několika minut. Digitální video se vždy komprimuje, aby se zvýšila přenosová rychlost a ušetřilo místo na pevném disku. Proto je výběr správného formátu pro kompresi velmi důležitý.

Mnoho standardů, ze kterých lze vybírat

Kompresi obrazu a videa můžeme rozdělit na ztrátovou a bezeztrátovou. V případě bezezstrátové komprese je každý pixel ponechán nezměněn, takže výsledkem po dekompresi je identický obraz. Nevýhodou tohoto přístupu je, že kompresní poměr, tedy snížení dat, je velmi omezený. Dobře známým bezeztrátovým formátem je GIF. Kvůli omezeným kompresním možnostem, se tyto formáty nehodí pro použití v oblasti síťového videa, kde potřebujeme ukládat a posílat velkém množství obrázků (záběrů). Proto bylo vyvinuto několik standardů pro ztrátovou kompresi. Základní myšlenkou je redukovat části obrazu neviditelné lidskému oku a tak výrazně zvýšit kompresní poměr.

Kompresní metody také zahrnují dva různé přístupy ke standardům: komprese statického obrázku a komprese videa.

Standardy pro kompresi statických obrázků

Všechny standardy pro kompresi statických obrázků se v daný okamžik zaměrují pouze na jeden samostatný obrázek.

JPEG

Název formátu je zkratkou pro Joint Photographic Experts Group international – jde o dobrý a velmi populární standard pro statické obrázky, který je podporován mnoha moderními programy. Dekompresi JPEGu a jeho prohlížení zvládnou i standardní webové prohlížeče (Firefox, Internet Explorer, Opera).

JPEGu lze nastavit různé úrovně komprese, které určí poměr mezi kvalitou obrázku a jeho velikostí.

Kromě úrovně komprese má na výsledný kompresní poměr zásadní vliv také samotný obrázek. Například bílá zeď může být zachycena na relativně malém obrázku (s vyšším poměrem komprese), zatímco stejná úroveň komprese aplikovaná na složitější (barevnější) scénu by vedla k velkému souboru s nižším poměrem komprese.

Několik základních principů:

• Velké obrázky si vyžádají více dat a menší obrázky
• Vysoce komprimované obrázky jsou menší než méně komprimované. Pamatujte, že čím větší komprese, tím menší kvalita obrázku (JPEG se rozmazává)
• Scény s velkým množství detailů vyžadují více místa, než scény s menšími detaily. Například obrázek bareného stromu bude vyžadovat mnohem více dat než obrázek jednobarevné zdi.

Tady vidíte příklady JPEG obrázků s různými úrovněmi detailu. Větve stromů tvoří velké množství detailů, které budou mít za následek větší množství dat.

↑ Nahoru

JPEG2000

Dalším standardem pro kompresi statických obrázů je JPEG2000, který vyvinula stejná skupina jako formát JPEG. Jeho hlavním cílem je použití ve zdravotnických aplikací a pro fotografie. Při nízkém poměru komprese je velmi podobný formátu JPEG, ale při velké kompresi si vede o něco lépe. Problém je, že podpora formátu JPEG2000 v programech je velmi omezená.

Standardy pro kompresi videa

Motion JPEG

Motion JPEG nabízí video ve formě sekvence JPEG obrázků. Motion JPEG se nejčastěji používaným formátem pro systémy síťového videa. Síťová kamera, podobně jako digitální fotoaparát, zachytí jednotlivé obrázky a zkompresuje je do JPEG formátu. Síťová kamera navíc dokáže zachytit a zkompresovat například 30 takových samostatných obrázků za sekundu (30 fps - frames per second) a pak je dokáže zpřístupnit po síti jako neustálý proud obrázků. Frekvenci snímků okolo 16/s (16 fps) a více vnímá divák jako normální video. Tuto metodu nazýváme Motion JPEG. Jelikož každý snímek (frame) tvoří samostatný JPEG záběr, mají všechny zaručenou kvalitu, určenou úrovní komprese, která byla vybrána u síťové kamery nebo video serveru.

Příklad sekvence tří kompletních obrázků JPEG

H.263

Komprese H.263 je určená pro video přenosy se stálou bitovou rychlostí (bit rate). Nevýhodou stálé bitové rychlosti je, že v případě pohybujícího se objektu se sníží kvalita obrazu. H.263 byl původně navržen pro video konference a ne pro zabezpočevací aplikace, kde jsou detailní záběry důležitější než stálá bitová rychlost (bit rate).

Obraz pohybující se osoby bude při použití komprese H.263 velmi podobný mozaice. Obyčejně nezajímavé pozadí, ale bude mít dobrou, ostrou kvalitu obrazu.

↑ Nahoru

MPEG

Jedna z nejznámějších audio a video streamovacích technik se skrývá za standardem s názvem MPEG (inicializován Motion Picture Experts Group v druhé polovině 80. let). Tato část se zaměřuje na tu část MPEG standardu, která se zabývá videem.

Základním principem formátu MPEG je porovnání dvou kompresovaných záběrů, které mají být odeslány přes síť. První kompresovaný záběr se použije jako referenční a pouze ty části následujícího záběru, které se od něj liší jsou odeslány. Software, který MPEG přehrává, složí pak všechny záběry na základě referenčního obrázku a "dat o rozdílech".

I přes svou větší složitost vede MPEG k menší velikosti výsledných souborů, které jsou vysílány přes síť než u Motion JPEG. Následující příklad ukazuje schéma fungování formátu MPEG, kde se posílají pouze rozdíly v druhém a třetím záběru.

Samozřejmě, že MPEG je mnohem složitější, než by naznačoval zjednodušený příklad uvedený výše. MPEG často zahrnuje další techniky nebo nástroje pro parametry jako je předvídání pohybu v záběru a identifikace objektů. Je několik různých MPEG standardů:

• MPEG-1 byl vydán v roce 1993 a byl zamýšlen pro ukládání digitálního videa na CDčka. Proto je většina MPEG-1 enkodérů a dekodérů navržena pro cílovou bitovou rychlost okolo 1,5Mbit/s v rozlišení CIF. V případě MPEG-1 je důraz na relativně stálou bitovou rychlost vyvážen měnící se kvalitou obrazu. Počet snímků za sekundu je u formátu MPEG-1 pevně stanoven na 25 (PAL) / 30 (NTSC).
• MPEG-2 byl schválen v roce 1994 a byl navržen pro vysoce kvalitní digitální video (DVD), digitální high-definition TV (HDTV), interaktivní ukládací media (ISM), video pro digitální vysílání (DBV) a pro kabelovou televizi (CATV). MPEG-2 se zaměřil na rozšíření kompresní techniky MPEG-1 pro zachycení větších záběrů a pro vyšší kvalitu výměnou za nižší kompresi a větší bitovou rychlost. Počet snímků za sekundu je stejně jako u formátu MPEG-1 pevně stanoven na 25 (PAL) / 30 (NTSC).
• MPEG-4 představuje hlavní formát vyvinutý z MPEG-2. Ve formátu MPEG-4 je mnohem více nástrojů pro snížení bitové rychlosti potřebné pro dosažení určité kvality obrazu. Navíc není jeho počet snímků fixován na 25 / 30. Nicméně, většina nástrojů pro snížení bitové rychlosti jsou dnes relevantní pro aplikace nevyžadující funkčnost v reálném čase. Je tomu tak proto, že některé nové nástroje potřebují tolik výkonu procesoru, že celkový čas pro enkódování a dekódování (tedy zpoždění) je činí nepraktické pro něco jiného než je enkódování filmů. Ve skutečnosti je většina nástrojů v MPEG-4, které mohou být použité v aplikacích vyžadujících práci v reálném čase, dostupných i v MPEG-1 a MPEG-2.

O podpoře pro MPEG-4 u produktů Axis

Většina produktů pro síťové video od firmy Axis disponuje pokročilým enkódováním videa v reálném čase, které jim umožňuje poskytovat MPEG-4 a Motion JPEG streamy zároveň.

MPEG-4 formát firmy Axis dodržuje standard ISO/IEC 14496-2 a poskytuje Advanced Simple Profile (ASP) na úrovni 5. Díky široké paletě nastavení je možné nakonfigurovat streamy jak z důrazem na propustnost, tak na kvalitu. Vestavěný software Axis Media Control (AMC) s MPEG-4 dekodérem zajišťuje snadné sledování streamů a integraci do aplikací.

Navíc multicasting firmy Axis umožňuje neomezený počet lidí sledujících záběry, aniž by bylo nutné obětovat výkon sítě. Podívejte se na přehled implementace MPEG-4 v produktech firmy Axis.

↑ Nahoru

Pokročilé kódování videa

Dvě skupiny, které stojí za H.263 a MPEG, se nedávno spojili, aby vytvořili další generaci standardů video komprese. Bude se jmenovat AVC (Advanced Video Coding) a očekává se, že v následujících letech nahradí současné formáty H.263 a MPEG-4.

Výhody a nevýhody Motion JPEG, MPEG-2 a MPEG-4

Díky své jednoduchosti je široce používaný formát Motion JPEG - standard v mnoha systémech - často dobrou volbou. Díky své jednoduchosti nabízí Motion JPEG malou latenci (zpoždění od zachycení záběru po jeho zobrazení) a je proto vhodný pro další zpracování, například při detekci pohybu v záběru nebo pro sledování objektu. Ve formátu Motion JPEG je k dispozici široká paleta rozlišení od displejů mobilních telefonů (s QVGA) až po plné video (4CIF) a vyšší (megapixelové). Formát zaručuje neměnnou kvalitu bez ohledu na pohyb nebo složitost v záběru, nabízí při tom možnost zvolit si kvalitu obrazu (úroveň komprese) a tím i velikost datového toku. Počet snímků za sekundu lze snadno přizpůsobit propustnosti, aniž bychom ztratili kvalitu obrazu.

Protože Motion JPEG nepoužívá video kompresi, generuje relativně velký datový tok, který je potřeba přenášet po síti. V tomto ohledu má MPEG výhodu, protože vytváří menší soubory při stejném časovém rozsahu než Motion JPEG, až na situaci s nižším počtem snímků za sekundu, jak ilustruje obrázek níže. Pokud je dostupná síťová propustnost omezená, nebo pokud musí mít zaznamenávané video vysoký počet snímků za sekundu, může být MPEG vhodnějším formátem. Poskytuje relativně vysokou kvalitu obrazu při menší bitové rychlosti (menší využití propustnosti). Ale menší nároky na propustnost si vynucují větší složitost enkódování a dekódování, což má za následek vyšší latenci než Motion JPEG.

Další věc, na kterou musíte myslet: Jak za MPEG-2 tak za MPEG-4 musíte platit licenční poplatky.

Graf ukazuje náročnost na propustnost Motion JPEGu a MPEG-4 v závislosti na počtu snímků za sekundu. Je jasné, že při nižším počtu snímků za sekundu, nemůže MPEG-4 moc využít podobnosti mezi sousedícími snímky a proto je spotřeba propustnosti podobná Motion JPEGu. Při vyšším počtu snímku za sekundu potřebuje MPEG-4 mnohem méně propustnosti než Motion JPEG.

Závěr

Pro většinu aplikací představuje Motion JPEG přirozenou volbu, protože vyvažuje požadavky na propustnost a kvalitu videa. MPEG-4 má výhodu v menším nároku na místo na disku a na přenosovou propustnost, ale zvyšuje nároky na zařízení, ve kterém bude uživatel záběry sledovat. Pokud jde v aplikaci pouze o ukládání a prohlížení, může být MPEG-4 lepší možností. Ale pokud bude potřeba i pozdější analýza toho, co se stalo, bude lepší Motion JPEG.

Produkty pro síťové video od firmy Axis nabízí několik možností komprese. Dvě hlavní varianty jsou Motion JPEG a MPEG-4, komprese MPEG-2 (DVD kvalita) je dostupná u vybraných produktů. Mnoho z prefesionálních nebo dražších produktů podporuje zároveň Motion JPEG a MPEG-4 streamy, což umožňuje optimalizaci kvality obrazu a propustnosti. Zatímco Motion JPEG nabízí nejvyšší kvalitu jednotlivých snímků obrazu, MPEG-4 je ideální pro aplikace, kde je dostupná propustnost omezená je vyžadován vyšší počet snímků za sekundu.

↑ Nahoru