راهنمای کاربردی CODEC در سیستم های نظارت تصویری (قسمت اول)

راهنمای کاربردی CODEC در سیستم های نظارت تصویری (قسمت اول)

یکی از مهمترین مفاهیم در تحلیل و به کارگیری سیستم های نظارت تصویری، مفهوم codec است که با اسامی H.264، H.265 و MJPEG مطرح می شود. چگونگی عملکرد آن و چرایی استفاده از آن در مقاله پیش رو بحث خواهد شد. در این مقاله سعی خواهد شد موارد زیر با جزییات بیشتری توضیح داده شوند.

  • تصویر فشرده سازی شده و تصویر اصلی
  • فشرده سازی روی Inter frame و Intra frame
  • I frame و P frame
  • H.264، H.265، و MJPEG
  • ضرورت H.265
  • رشد و توسعه Codec های هوشمند
  • proprietary Codecs
  • Codec های قابل ارتقا – JPEG2000 و SVC
  • کیفیت Codec ها
  • Codec های مورد استفاده در سیستم های نظارت تصویری
  • Codec های آینده
  • چه کدکی را انتخاب کنیم؟

 – تصاویر فشرده شده و اصلی

به طور کلی همه تصاویر دوربین های نظارتی فشرده می شوند. بدون فشرده سازی مقدار پهنای باند و حجم ذخیره سازی مورد نیاز به سادگی ۱۰۰ برابر بیشتر خواهد شد. زمانی که یک تصویر ویدئویی به صورت دیجیتال تبدیل می شوند، غیر فشرده خواهد بود. سه عامل اصلی در اندازه تصویر ویدئویی تاثیرگذار است:

  • محدوده مقادیر مشخص شده برای هر پیکسل
  • تعدادکل پیکسل ها در هر frame
  • تعداد کل frame ها در هر ثانیه

برای محاسبه اندازه تصویر لازم است این سه عامل در هم ضرب شوند. به منظور آشنایی بهتر با این مفاهیم لازم است جزئیات هرکدام مرور گردد.

  • مقادیر پیکسل ها
    هر پیکسل با یک عدد در محدوده مشخصی که نشانگر مقدار آن است معرفی می شود. این محدوده میزان دقت قابل تعریف برای یک رنگ را نشان می دهد که به مقدار زیادی روی پهنای باند و اندازه تاثیر می گذارد.- در تصاویر سیاه و سفید، که به طور مشخصی از ۲۵۶ مقدار (۸ بیت) تشکیل شده است، مقدار ۰ بیانگر رنگ سیاه و مقدار ۲۵۵ بیانگر رنگ سفید است و اعداد مابین ۰ تا ۲۵۵ حالت های مختلف خاکستری را تعریف می کند.- همچنین با توجه به اینکه امروزه تمامی دوربین های نظارتی تصویر رنگی را تولید می کنند برای تعریف تمام رنگ ها محدوده مقادیر بالاتری مورد نیاز است که یک عدد (۱۶ بیتی) با ۶۵۵۳۶ مقدار، متداول است.
  • مقادیر رزولوشن و نرخ فریم
    دو عامل دیگر مفهوم ساده تری دارند چنانچه رزولوشن یک دوربین حاصلضرب تعداد پیکسل های افقی و عمودی تصویر است. همچنین نرخ فریم که به سادگی تعداد فریم تصویر در ثانیه است. اکثریت قریب به اتفاق دوربین های نظارت تصویری (بیش از ۸۰ درصد) مابین ۵ تا ۱۵ فریم در ثانیه برای ضبط تصاویر استفاده می کنند. در جدول زیر رزولوشن ، تعداد پیکسل و اسم مربوطه نشان داده شده است.سیستم های نظارت تصویری,نرم افزارهای نظارت تصویری
    مسئله اصلی این است که بفهمیم یک تصویر ویدئویی که فشرده نشده است چه اندازه ای می تواند داشته باشد. یک دوربین رنگی fullHD با رزولوشن ۱۰۸۰P و نرخ ۳۰ فریم بر ثانیه در نظر بگیرید. حجم تصویر فشرده نشده آن حاصلضرب زیر است:
    سیستم های نظارت تصویری,نرم افزارهای نظارت تصویریحاصلضرب سه مقدار بالا معادل تقریبا ۱گیگابیت در ثانیه تبادل اطلاعات برای تنها یک دوربین ۱۰۸۰p ایجاد کرده است. در یک روز با این نرخ داده، حدود ۱۲ ترابایت فضای ذخیره سازی برای تنها یک استریم از دوربین مورد نیاز است. با در نظر گرفتن افزایش ظرفیت هارددیسک ها، یک سیستم نظارتی با ۱۶ دوربین برای ذخیره سازی ۳۰ روزه تصاویر دریافتی به حدود ۶PB فضای ذخیره سازی که مشتمل بر صدها هارددیسک می شود نیازمند است که هزینه ای بالغ بر چند صد هزار دلار را شامل می شود. در نظر داشته باشید که هر PB معادل ۱۰۰۰ ترابایت است.
    با درنظر گرفتن اندازه بسیاربزرگ فایل های فشرده نشده تصویری، در یک سیستم نظارت تصویری معمولی تعداد ۱۶ دوربین در یک PC یا حتی سیستمی ساده تر مدیریت می شود. این کار جز با استفاده از مفهوم CODEC و فشرده سازی امکان پذیر نیست.
    عبارت CODEC مخفف Compression / Decompression است و عمل فشرده سازی عامل اصلی در کاهش پهنای باند و فضای ذخیره سازی مورد نیاز است.
    تخصیص مقدار واحد به هر پیکسل از هر فریم کاری بیهوده و هزینه بر است از آنجایی که در بیشتر فریم ها رنگ ها به صورت تکراری قرار می گیرند. CODEC ها با کاهش مقادیر ثبت شده با بررسی اینکه چه پیکسل هایی مقدار یا مقادیر یکسان هستند، حجم تصویر ویدئویی را کاهش می دهند و بنابراین تعداد کمتری بیت اطلاعاتی برای ارسال تولید می شود.

-فشرده سازی Inter frame و Intra frame
دو راهکار اصلی برای فشرده سازی وجود دارد که عبارتند از Inter frame  و Intra frame. فهم تفاوت بین این دو که چگونه بر مصرف پهنای باند و مقدار توان پردازشی موردنیاز و کیفیت ریسک تاثیر میگذارند ضروری است.

  • در روش Intra-frame ، روی یک فریم تنها فشرده سازی صورت میگیرد نه فریم های مختلف. ( مثال : MJPEG)
  • در روش Inter-frame ، بین چندین فریم و یک فریم فشرده سازی صورت میگیرد. ( مثال: H.264، H.265 و MPEG-4)

تمامی CODEC ها از روش Intra-frame پشتیبانی می کنند ولی تنها برخی از هردو روش پشتیبانی می کنند.

  • فشرده سازی Intra-frame
    در این روش تنها یک فریم مورد نظر است و بهترین حالت فشرده سازی برای آن انجام میگیرد. حتی اگر یک سری از فریم های مشابه هم باشند، در روش فشرده سازی intra-frame تنها یک فریم مطرح می شود و رشته فریم ها نادیده گرفته می شود. همانطوری که در شکل زیر مشخص است فریم های جداگانه همانند فریم های یک فیلم دیده  می شوند.
    سیستم های نظارت تصویری,نرم افزارهای نظارت تصویریمزیت آن در سادگی انجام آن به صورت محاسباتی و نیز فشرده سازی محسوس تصویر است. به عنوان مثال، یک دوربین با مشخصات ۱۰۸۰P/30fps با استفاده از فشرده سازی intra-frame نظیر MJPEG می توان نرخ بیتی (bitrate) آن از حدود ۱۰۰۰Mb/s به حدود ۴۰Mb/s کاهش یابد. با این حال ضعف این روش در این است که اگر فریم های مشابه وجود داشته باشند می توان کاهش بیشتری در نرخ بیتی داشت که با فشرده سازی intra-frame حاصل نمی شود.
  • فشرده سازی Inter-frame
    با استفاده از این روش نه تنها تصویر یک فریم تا حد ممکن فشرده می شود بلکه، CODEC مورد نظر فریم های متوالی را بررسی و مقایسه کرده و حداکثر فشرده سازی ممکن را بین آنها اعمال می نماید. این روش امکان پذیر است چرا که اغلب تغییرات بین دو فریم متوالی خیلی کم است. به عنوان مثال برای همان صحنه بالا که فرد در حال تکان دادن دست خود است، فشرده سازی inter-frame فقط تصویر بازوی فرد ارسال می شود.
    سیستم های نظارت تصویری,نرم افزارهای نظارت تصویریبا ثابت ماندن بیشتر قسمت های تصویر و تنها ارسال تغییرات صحنه به صورت محسوسی در مقدار پهنای باند و فضای ذخیره سازی کاهش ایجاد می کند. به عنوان مثال برای همان دوربین با مشخصات ۱۰۸۰P/30fps که در حالت MJPEG و استفاده از تنها روش intra-frame مقدار ۴۰Mb/s نیاز بود  با استفاده از روش inter-frame تنها ۴Mb/s با H.264 نیاز خواهد بودکه در آن هر دو روش استفاده می شود.
    با این حال مهمترین نقطه ضعف این روش نیاز به ظرفیت محاسباتی زیاد است که ریسک عملکرد و کیفیت را به همراه خواهد داشت.

منبع: www.ipvm.com

ادامه مقاله در قسمت دوم http://kaman.ir/codec-guide-2/

بازدید: 141

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *