Оцифровка и сжатие видеосигнала

Здесь хотелось бы коротко упоминуть о наиболее распространенных алгоритмах сжатия видеопотока используемых в современных цифровых системах видеонаблюдения MPEG, MJPEG, Wavelet и JPEG Наиболее распространенными методами сжатия видео в последнее время стали MPEG-алгоритмы, основным принципом которых является устранение временной избыточности видеоданных. Упрощенно говоря, уменьшение скорости цифрового потока достигается за счет передачи только опорных кадров и различий между соседними изображениями. Качество MPEG видео довольно сильно зависит от применяемого кодека. Это в равной степени относится как к аппаратным средствам, так и к программному обеспечению. Первая редакция алгоритма сжатия, - MPEG-1, - подразумевала разрешение 352x240 точек с частотой обновления 25 кадров в секунду при потоке порядка 200 Кб/с. Сжатие видео с таким качеством до сих пор применяется при создании видеодисков формата Video CD. Качество цифрового изображения при этом сравнимо с качеством обычной видеокассеты, однако не подвержено механическому износу. Алгоритм сжатия MPEG-1 весьма сложный. В частности, если в каком-то месте кадра произошло изменение по сравнению с предыдущим кадром, то сначала предпринимается попытка обнаружить "куда сместился" исходный объект. Например, если автомобиль движется в поле зрения камеры видеонаблюдения, то совсем необязательно каждый раз его перерисовывать: изображение автомобиля однажды уже сохранено, теперь надо только указать, куда оно сместилось. Сжатие видео в формате MPEG-2 распространилось после появления DVD. Качество изображения возросло до 500 … 600 ТВЛ, а скорость потока данных несколько снизилась за счет возможности кодирования с переменным битрейтом. При этом, хотя количество передаваемых данных и уменьшается, скорость цифрового потока для сохранения высокого качества картинки все равно не удается сделать меньшей, чем несколько Мбит/с. Иначе обстоит дело с алгоритмом сжатия видео MPEG-4, специально созданным для передачи видео по низкоскоростным линиям связи. Сжатие видео по алгоритму MPEG-4 состоит в том, что исходная картинка как бы разбирается на отдельные составные части. То есть в кадре выделяются контуры объектов [например, в группе людей очерчивается силуэт каждого из персонажей], затем цифровые потоки от этих объектов обрабатываются по специальному алгоритму и раздельно передаются независимо друг от друга по каналу связи. На приемной стороне изображение собирается в обратном порядке, при этом декодер MPEG-4 восстанавливает первоначальное положение в кадре каждого из выделенных при передаче объектов. При перемещении объектов в кадре передается только информация о векторе этого движения, а интеллектуальный декодер синтезирует и сам объект, и его новое местоположение, что позволяет многократно уменьшать объем передаваемой информации. Сжатие видео по алгоритму MPEG-4 обеспечивает уменьшение скорости цифрового потока до нескольких сотен кбит/с практически без ущерба для качества изображения.   MJPEG Компрессия MJPEG [Motion JPEG] основывается на независимом кодировании каждого кадра и объединении полученной последовательности в файл. Сжатие видео осуществляется по JPEG-алгоритму : каждое изображение разбивается на квадраты 8x8 точек и представляется в векторной форме путем дискретного преобразования и высокочастотной фильтрации полученного спектра. По сути, сжатое видео представляет собой последовательность независимых JPEG-изображений. Поскольку каждый кадр кодируется отдельно от других, возможно последующее покадровое редактирование изображения. Существенным преимуществом этого алгоритма сжатия видео является его симметричность, то есть для кодирования и декодирования необходимы одни и те же вычислительные затраты. Применительно к MJPEG степень сжатия видео до 1:15 позволяет сохранять видеоинформацию практически без потери качества, от 1:15 до 1:25 приводит к небольшой потере разрешения. При большом коэффициенте компрессии [1:30 и выше] сжатие видео по алгоритму MJPEG сопровождается характерными для формата JPEG искажениями: на границах сетки разбиения [квадраты 8x8 точек] нарушается гладкость изображения, что приводит к уже известному "мозаичному" эффекту. 
Из других недостатков формата сжатия MJPEG можно отметить не очень большую эффективность сжатия, а также невозможность создания видеофрагментов размером более 2 Гб, - структура файла не позволяет увеличить его размер. В настоящее время применяются программные методы "склейки" MJPEG-файлов, позволяющие переключаться между ними практически незаметно. Несколько лет назад компрессия MJPEG стала стандартом в области мультимедиа, что побудило разработчиков аппаратного и программного обеспечения к созданию собственных MJPEG-кодеков.   Wavelet Относительно новый алгоритм сжатия видео при котором, в отличие от JPEG , изображение обрабатывается без разбиения на квадраты. После того, как фирма Analogue Devices выпустила специализированную микросхему аппаратного wavelet-сжатия видео, данный формат стал базисом многоканальных цифровых систем видеонаблюдения и цифровых видеорегистраторов. Как и в случае формата JPEG, в Wavelet сжатие осуществляется с необратимыми потерями информации, но изображение не имеет "мозаичных" дефектов даже при очень больших степенях компрессии. Достоинство - отсутствие видимых дефектов даже при большом коэффициенте сжатия видео, - снижается резкость, и изображение просто становится менее четким. С математической точки зрения основной особенностью wavelet-преобразования является возможность разложить изображение на две компоненты - низкочастотную часть, содержащую основную информацию, и высокочастотную часть, содержащую лишь малую долю информации. Низкочастотную часть можно опять разложить на две части, и т.д. Оставшаяся часть изображения содержит лишь малые высокочастотные компоненты. В результате последовательного применения wavelet-преобразований получается изображение, занимающее небольшой объем места на диске. Применение Wavelet-сжатия открыло перед охранными системами видеонаблюдения новые возможности. Сжатое видео при малом объеме передаваемой информации [до 400 Кбит/с с компрессией 150:1] может быть передано через сеть Internet, по модему или по мобильному телефону, что позволяет дистанционно наблюдать за охраняемым объектом практически в режиме реального времени.   JPEG JPEG [ Joint Photographic Experts Group ] - алгоритм сжатия неподвижного изображения. Формат JPEG изначально предусматривает контролируемое, но необратимое ухудшение качества. Основная идея этого алгоритма сжатия заключается в том, что вся "картинка" разбивается на квадраты 8x8 точек, а изображение в каждом квадрате раскладывается на гармоники [преобразование Фурье]. Сохраняются только основные гармоники, а значения остальных грубо округляются. Особенностью формата сжатия JPEG является действительно быстрая [полный кадр за 1/50 секунды] и высокая компрессия [в 10 … 100 раз]. Традиционно формат JPEG применяется для компрессии полноцветных изображений и изображений в градациях серого без резких переходов яркости, обеспечивая, пожалуй, наилучшее цифровое сжатие. Переход от монохромного изображения к цветному RGB увеличивает объем картинки всего в полтора раза, а не в три. Формат JPEG используют web-камеры и web-видеосерверы, - видеонаблюдение в этом случае возможно вести в окне стандартного браузера. Необходимо иметь в виду, что "живая" полноформатная картинка в формате JPEG может передаваться по каналам связи не менее 64К. При сжатии видео по алгоритму JPEG теряется часть информации, но достигаются большие коэффициенты компрессии. В некоторых случаях проявляется эффект Гиббса - "ореол" вокруг резких горизонтальных и вертикальных границ изображения. Программное обеспечение решает, является ли конкретный квадрат 8х8 существенным в данном изображении или же его можно интерполировать. По мере повышения степени компрессии число выброшенных блоков возрастает, и на изображении начинают проступать артефакты - характерные прямоугольные дефекты. Для многоканальных цифровых систем видеонаблюдения и видеозаписи по целому ряду позиций наиболее перспективно Wavelet-сжатие при котором, в отличие от JPEG, изображение обрабатывается без разбиения на квадраты.