Суета вокруг кодека. Правда и домыслы о "чудесном" H.264

В наш век маркетинга и сквозной девальвации оценочных категорий сложно верить чему-либо на слово. Лишь пахнёт серьезными деньгами -- появляются купленные мнения авторитетных персон, подделываются результаты исследований, порхают с железки на железку шильдики с именами вековых брендов. Ужас в том, что, строго говоря, нельзя верить и прессе. Ну, если нельзя, но очень хочется, то - можно...

Наблюдая за последними тенденциями в области сжатия цифрового видео, редакция Security News старается обращать внимание не только на позитивные оценки мировых отраслевых экспертов, но и на скептические нотки. Если повезет, попадается и жесткая критика. Два экспертных мнения, которые мы публикуем, относятся скорее к позитиву, хотя, по некоторым признакам, они лишь закамуфлированы под "объективные". Приглашаем к дискуссии отечественных специалистов: в российской отраслевой прессе еще несколько лет назад все прогнозы сходились на Wavelet-кодировании. Почему "победило" другое решение, по техническим мотивам или в погоне за прибылью? И победило ли вообще? Ждем ваших мнений.

Джон Блем, директор компании Milestone по информационным технологиям.
По материалам журнала Hi-Tech Security Solutions.

Не так давно мне довелось присутствовать на двух выставках - ISC West в Лас-Вегасе и IFSEC в Соединенном Королевстве. Сильная сторона этих мероприятий - в том, что по ним можно безошибочно определить, куда дует рыночный ветер и чем заняты умы коллег по отрасли. Будучи техническим руководителем компании, производящей управляющее ПО для систем IP-видеонаблюдения, я был весьма заинтересован в том, чтобы отделить зерна от плевел. Поскольку участвовать в обеих выставках приходилось и раньше, я прекрасно понимал, что прессу здесь будет интересовать только "самое последнее и самое крутое". Зацепившись за какую-нибудь тему, СМИ словно стартуют забег - кто эффектнее подаст самое последнее из распоследних и величайшее из великих. Однако не будем забывать и о том, что еще пару лет назад такой "горячей" темой было IP-видеонаблюдение - а сегодня оно уже становится фактическим стандартом, значительно опередив в развитии аналоговые технологии. В этом году предметом горячих обсуждений стал новый формат сжатия видеосигнала H.264. Напомню, что он явился совместной разработкой двух международных организаций по стандартизации - и ISO/IEC; этот формат также известен под названием MPEG-4 Part 10 AVC (Advanced Video Coding, продвинутая кодировка видеосигнала).

Сжимать еще сильнее
Аппетиты видеонаблюдения в отношении объемов хранения данных и пропускной способности сетей растут: никто не хочет упустить возможность воспользоваться большой частотой кадров и высоким разрешением. Отсюда и ожидания большей эффективности от методов сжатия видеосигнала. Кодер формата H.264 способен уменьшить размер файла, содержащего цифровое видео, более чем на 80% по сравнению с сигналом, сжатым по алгоритму формата Motion JPEG, при аналогичных показателях визуального качества. В сравнении с наиболее "ходовой" разновидностью формата MPEG-4 - MPEG-4 Part 2 Simple Profile (SP) - кодек H.264 обычно выигрывает 40-50 процентов от объема видеофайлов.Сектор мегапиксельных камер растет, и до недавнего времени основным сдерживающим его рост фактором считались повышенные требования к объемам хранения данных, генерируемых камерами высокого разрешения. Использование кодека H.264 способно значительно ускорить процесс внедрения мегапиксельных камер. По моему личному мнению, формат H.264 почти окончательно вытеснит MPEG-4 (Part 2) в течение буквально нескольких лет. А поставщики решений управления видеонаблюдением примутся встраивать поддержку нового формата уже в ближайшем будущем, равно как и все ведущие производители видеокамер.

Ложка дегтя
Есть, однако, и факторы, сдерживающие восторг от новинки - ведь, по сути, разработка находится еще в самом начале пути. Да, кодек позволяет снизить нагрузку на сети передачи данных и сэкономить на приобретении средств хранения видеоинформации. Но его использование возможно только в условиях применения высокопроизводительных камер. Новый алгоритм сжатия использует значительно более сложную математику, чем предыдущие стандарты -- скажем, процедура декодирования примерно вдвое превосходит аналогичную процедуру у MPEG-4 Part 2 SP по объемам вычислений - соответственно этому растет и запрос к вычислительной мощности систем. При этом собственно стандартом H.264 стал относительно давно - около пяти лет назад, и в некоторых отраслях - исключая нашу с вами - уже взят на вооружение. Скажем, он используется в новом поколении потребительских DVD-дисков высокого разрешения (формат Blu-ray).

Как это работает
H.264 является гибридным стандартом блочного кодирования видеоданных с использованием компенсации движения. Собственно компенсация основана на использовании векторов перемещения областей кадра для предсказания изменений в изображении. Поскольку для видеоизображений характерна высокая степень корреляции между двумя последовательными кадрами, возможно использовать это для кодирования не картинки целиком, а лишь векторов перемещения различных частей изображения; кодируется при этом предсказанная разница между текущим кадром и его областями, присутствующими на других кадрах (так называемых ссылочных) в смещенном относительно оригинального положения виде. Эта техника называется "промежуточное предсказание". Существует два основных метода промежуточного предсказания -- основанное на одном ссылочном кадре (макроблоки типа P) и двунаправленное (макроблоки типа В), где используется комбинация двух ссылочных кадров. Чтобы обеспечить доступ к произвольным участкам видеоизображения и повысить степень защищенности от ошибок, стандартом также предусмотрено так называемое инфракодирование, при котором кодированные данные не зависят от характера и содержания каких-либо сторонних изображений, как это происходит в случае применения промежуточного предсказания. Стандартом H.264 предусматривается разбиение изображения на макроблоки размером до 16х16 пикселов каждый. Макроблоки объединяются в группы - одну или несколько -обычно в порядке сканирования. Таким образом, отдельное изображение может быть закодировано как одна или несколько групп. Использование группирования макроблоков позволяет применять различные методы коррекции ошибок, различные типы кодирования макроблоков, а также такие инструменты, как раздельное кодирование полукадров (на правах групп) при чересстрочной развертке. В цветных видеоизображениях кодирование яркостной составляющей происходит отдельно от цветовой; учитывая особенности человеческого зрения, при этом, как правило, используется поддискретизация цветового сигнала относительно яркостного. По большому счету, фундаментальных отличий нового формата от предыдущих стандартов кодирования видеосигнала (включая MPEG-4 Part 2) нет: все они так или иначе основаны на разбиении на блоки и являются гибридными.

Новые средства
Помимо улучшений, которым подверглись уже существующие средства кодирования, формат H.264 предусматривает и ряд новых инструментов. Наиболее важными из них являются встроенный адаптивный деблокирующий фильтр, позволяющий существенно снизить блокинг-искажения изображения, запись более чем двух ссылочных кадров для более точного предсказания, деление макроблоков на блоки меньшего размера (вплоть до 4х4 пиксела), предсказание в инфракодировании, а также применение целочисленного преобразования взамен применявшегося в более ранних стандартах дискретного косинусного преобразования (DCT). В формат H.264 входит принципиальное решение сетевого интерфейса передачи видеоданных (network abstraction layer, NAL), который, будучи установлен поверх программного механизма кодирования видеосигнала (video coding layer, VCL), берет на себя функцию эффективного представления цифрового видео в формате, обеспечивающем легкую интеграцию с целым набором различных протоколов и механизмов передачи данных - это весьма привлекательно для сетей, работающих на основе Интернет-протокола (IP).

Что в итоге?
Главный результат всех усовершенствований технологии кодирования, воплощенных в стандарте H.264, состоит в том, что новый формат действительно превосходит по своим характеристикам все предыдущие алгоритмы сжатия цифрового видеосигнала -- и потому на сегодняшний день может считаться высшим достижением в области кодирования цифрового видео.Итак, стОит ли Н.264 всей медиа-шумихи, развернутой вокруг него? Стандарты видеокомпрессии с приходом нового формата стали стремительно меняться - и сегодня они уже способны сохранить либо даже снизить нагрузку на пропускную способность сетей передачи данных при переходе на видео высокого разрешения. И это является весьма ценным.Однако же, будем помнить, что все прелести новой технологии кодирования и хлынувших на рынок все более мощных мегапиксельных камер могут быть реализованы лишь при использовании крепкой управляющей платформы, на базе которой формируются решения видеонаблюдения. Применение стопроцентно открытых платформ по управлению IP-видеонаблюдением позволит вам интегрировать новые технологические решения в уже существующую у вас серверную инфраструктуру - без необходимости полной замены аппаратной части системы.

--------------------------------------------------------------------------------

Правда или маркетинг. Оправдает ли H.264 ожидания пользователей?
Том Гэлвин, директор консалтинговой компании NetVideo Consulting, в прошлом -- вице-президент компании GE Security по инженерным вопросам.
По материалам журнала Security Dealer and Integrator.

Вот и взяла старт гонка по внедрению стандарта видеокомпрессии H.264. Производители принимают этот формат в качестве стандартного для своих цифровых видеорегистраторов, сетевых камер и кодеров, наперебой обещая снижение объемов видеоданных вплоть до 50 процентов по сравнению со сжатием MPEG-4. Пятидесятипроцентное снижение - заявка серьезная, поскольку это может в огромной степени повлиять на показатели общей стоимости владения систем видеонаблюдения. Снижение битрейтов оборачивается наращиванием объемов хранения цифровых данных, снижением нагрузки на сетевую инфраструктуру либо повышением качества видеоизображения при тех же скоростях передачи цифровой информации.

Руководствуясь чисто профессиональным интересом, я решил ответить на вопрос: а дотягивает ли кодек до уровня, которым его наделили многочисленные обещания? А чтобы ответ не был голословным, подтвердить вывод непосредственным сравнением эффективности компрессии алгоритмов MPEG-4 и H.264. Самое интересное -- способен ли H.264 реально снизить битрейты без потери качества видеоизображения?

Стандарт H.264 обязан своим появлением двум разным группам экспертов, объединившимся специально в целях его создания. Появившийся в результате совместных трудов продукт получил известность под разными именами. "H.264" его окрестила организация ITU-T, осуществляющая координацию телекоммуникационных стандартов Международного Телекоммуникационного союза (International Telecommunication Union). Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) называет тот же самый стандарт по-своему - MPEG-4 Part 10/Advanced Video Coding (AVC), поскольку он является расширением пакета стандартов MPEG-4, уже успешно внедренного в обширный ряд продуктов, относящихся к видеонаблюдению. Охранная индустрия США приняла в качестве термина несколько менее аристократичное, но более короткое название - "просто" H.264. Новый стандарт определяет ряд математических принципов, применение которых при сжатии видеосигнала позволяет добиться более успешных результатов, чем это наблюдается в ранее принятых стандартах. Многие из описанных в нем алгоритмов весьма требовательны к вычислительной мощности оборудования либо неприменимы в ряде конкретных приложений. Чтобы обеспечить нужную гибкость в применении, стандарт определяет семь различных профилей. Под профилем понимается совокупность характеристик, обеспечиваемая для конкретной группы практических приложений стандарта. Многие из продуктов для видеонаблюдения, скорее всего, будут основаны на применении профиля "базовый" (baseline). Базовый профиль предназначается для аппаратных устройств, имеющих ограниченные вычислительные мощности, но требующих минимально возможной задержки сигнала по времени. Прочие профили предназначены для широкого спектра приложений - от телевещания и DVD высокого разрешения (Blu-ray) до мобильной телефонии.

Чей пирог вкуснее?
Для "кулинарного конкурса" я использовал два кодера разных форматов - H.264 и MPEG-4 - производства компании Axis Communications, применив их к двум типичным для видеонаблюдения сценам. Первая сцена снималась на поворотную камеру, расположенную на автостоянке, а вторая -- на фиксированную камеру, закрепленную над дверью в фойе бизнес-центра. Обе сцены снимались в разрешении 4CIF с частотой 30 кадров в секунду. Для измерения битрейтов, поступающих с каждого из источников цифрового видеопотока, я пользовался программным обеспечением NetVideo Device Manager. С помощью довольно утомительной процедуры, основанной на методе проб и ошибок, я настроил степени компрессии таким образом, чтобы достичь визуально эквивалентного уровня качества видеоизображения, формируемого обоими источниками.В обеих сценах у устройства, в котором применено сжатие по стандарту H.264, зафиксировано снижение средней плотности потока данных примерно на 50 процентов.Измеренная задержка сигнала по времени для обоих устройств составила примерно 100 миллисекунд. В величину задержки входит время, затрачиваемое на оцифровку видеосигнала, сжатие потока данных и передачу его по сети, декодирование и вывод на экран персонального компьютера. Задержка в 100 миллисекунд - значение весьма малое, и потому неспособное повлиять на эффективность управления поворотными устройствами камер. Я повторил сравнительные испытания в различных сценах, и везде обнаружилась разница между отображенными сигналами, полученными с применением форматов компрессии MPEG-4 и H.264. Типичные артефакты, известные как блокинг-эффект, при относительно высоких степенях компрессии значительно заметнее на MPEG-4, чем на H.264. По мере повышения степени сжатия сигнала видеопотоков, обрабатываемых кодерами MPEG-4 и H.264 (и соответствующего снижения битрейтов и визуального качества изображения) я отметил, что "блоки" на сигнале MPEG-4 становятся все более заметными, в то время как картинка, сжатая в формате H.264, продолжает оставаться "гладкой", избавляясь от артефактов за счет снижения детализации изображения. То, как кодек H.264 "расправляется" с блокинг-артефактами, обусловлено такими свойствами формата, как возможность снижения размера блоков вплоть до 4х4 пиксела, а также применением деблокирующего фильтра, который сглаживает контрастные зоны между прилегающими блоками. Деблокирование требует больших затрат вычислительных ресурсов, потому для его осуществления в кодерах видеоустройств должны применяться более мощные (и потому более дорогие!) процессоры. Декодеры, способные расшифровать сигнал формата H.264, также должны обладать большей вычислительной мощностью. Участвовавший в нашем "конкурсе" программный декодер сигнала Н.264, реализованный на персональном компьютере, вдвое интенсивнее "грузил" центральный процессор, чем его коллега MPEG-4; это наблюдалось при съемке обеих тестовых сцен - на парковке и в фойе. При использовании программных приложений, в которых предусмотрено одновременное отображение многочисленных сигналов с камер, это может существенно повлиять на требования к аппаратной части применяемых ПК. Несмотря на то, что снижение битрейта при применении кодека H.264 происходит за счет повышения требований к вычислительным ресурсам, по моему убеждению, формат H.264 - серьезный шаг в развитии систем видеонаблюдения. Эффективность внедрения стандарта H.264 может выражаться в увеличении глубины архивирования, снижении затрат на хранение видеоданных либо в улучшении качества изображения. Думаю, что формат H.264 получит повсеместное распространение в качестве стандарта компрессии видеоданных в охранной отрасли, значительно снизив эксплуатационные затраты в системах видеонаблюдения с повышенным разрешением и частотой кадров.

01.03.2012, 3030 просмотров.