Video compression

Komprimierungsformate

Motion JPEG

Motion JPEG oder M-JPEG ist eine digitale Videosequenz, die aus mehreren einzelnen JPEG-Bildern besteht. (JPEG steht für Joint Photographic Experts Group.) Ab einer Bildrate von 16 Bilder pro Sekunde, nimmt der Betrachter dies als fließendes Video wahr. Ein Video mit voller Bewegungsgeschwindigkeit wird bei 30 (NTSC) oder 25 (PAL) Bilder pro Sekunde wahrgenommen.

Einer der Vorteile von Motion JPEG besteht darin, dass jedes Bild einer Videosequenz dieselbe garantierte Qualität hat, die durch die für die Netzwerk-Kamera oder den Video-Encoder ausgewählte Komprimierungsstufe bestimmt wird. Je höher die Komprimierungsstufe ist, desto kleiner ist die Dateigröße der einzelnen JPEG-Bilder. Bei der Nutzung von relativ hohen Komprimierungsstufen kann sich die Bildqualität verschlechtern. Man muss deshalb immer in Abhängigkeit der geforderten Bildqualität abwägen, wie hoch die genutzte Komprimierungsstufe sein darf. Die Dateigröße der einzelnen JPEG-Bilder, ist auch immer von der Komplexität und Situation abhängig. Bei einigen Situationen, z. B. bei schwachem Licht oder komplexen Szenen, kann eine Bilddatei relativ groß werden und mehr Bandbreite und Speicherplatz in Anspruch nehmen. Um einen Anstieg der Bandbreiten- und Speicherplatznutzung zu verhindern, können Benutzer von Axis-Netzwerk-Videoprodukten eine maximale Dateigröße für ein Einzelbild festlegen.

Da es in Motion JPEG keine Abhängigkeit zwischen den Bildern gibt, ist ein Motion JPEG-Video weniger Anfällig gegen Übertragungsfehler, d. h. wenn ein Bild während der Übertragung verloren geht, wird der Rest des Videos davon nicht beeinträchtigt. Motion JPEG ist ein lizenzfreier Standard. Er weist eine umfassende Kompatibilität auf und wird vor allem in Anwendungen verwendet, in denen einzelne Bilder einer Videosequenz (z. B. zu Analysezwecken) benötigt und kurze Bildraten, meist 5 Bilder pro Sekunde oder weniger, verwendet werden. Motion JPEG ist unter Umständen auch in Anwendungen erforderlich, die in Systeme integriert werden müssen, die nur Motion JPEG unterstützen. 

Ein Nachteil von Motion JPEG besteht darin, dass hierbei nicht die klassischen Videokomprimierungstechniken anwendet werden, um die Datenmenge zu verringern, da es sich um eine Reihe vollständiger Einzelbilder handelt. Dies führt bezogen auf die gelieferte Qualität zu einer relativ hohen Bitrate bzw. einem geringen Komprimierungsverhältnis verglichen mit Videokomprimierungsstandards wie MPEG-4 und H.264.

MPEG-4

Wenn der Begriff MPEG-4 in Videoüberwachungsanwendungen verwendet wird, bezieht sich dies meistens auf MPEG-4 Part 2, auch bekannt als MPEG-4 Visual. Wie alle MPEG-Standards (Moving Picture Experts Group) handelt es sich hierbei um einen lizenzierten Standard, d. h., für Nutzung fallen Lizenzgebühren an. Axis liefert bei den Netzwerk-Videoprodukten zwei Lizenzen mit, eine für das Codieren und eine für das Decodieren. Diese beiden Lizenzen ermöglichen demnach, den Zugriff von einem Client, ohne das zusätzliche Lizenzgebühren anfallen. Erst wenn mehrere Clients zeitgleich einen MPEG-4-Videostrom von einem Axis Netzwerk-Videoprodukt abrufen möchten, müssen weitere Lizenzen hinzugekauft werden, welche allerdings im Bereich von etwa einem Euro/Stück liegen. MPEG-4 unterstützt Anwendungen mit niedriger Bandbreite und Anwendungen, die hochwertige Bilder erfordern und keine Einschränkungen bei der Bildrate und bei der Bandbreitennutzung haben.

H.264 oder MPEG-4 Part 10/AVC

H.264, auch als MPEG-4 Part 10/AVC für Advanced Video Coding bekannt, ist der neueste MPEG-Standard für die Video-Codierung. Es wird davon ausgegangen, dass sich H.264 in den kommenden Jahren als Videostandard durchsetzen wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein H.264-Encoder ohne Einbußen bei der Bildqualität bei digitalen Videodateien im Vergleich zu Motion JPEG eine 80 % höhere Komprimierung erreicht. Gegenüber dem Standard MPEG-4 wird durchschnittlich eine um 50 % höhere Komprimierung erzielt. Das bedeutet, dass Videodateien wesentlich weniger Netzbandbreite und Speicherplatz beanspruchen. Umgekehrt kann bei gleicher Bitrate eine deutlich höhere Videoqualität erzielt werden, indem Bilder mit höherer Auflösung übertragen werden.

H.264 wurde gemeinsam von Standardisierungsunternehmen der Telekommunikationsbranche (ITU-T‘s Video Coding Experts Group) und der IT-Branche (ISO/IEC Moving Picture Experts Group) entwickelt. Es wird davon ausgegangen, dass dieser Standard in größerem Ausmaß angewendet wird als vorhergehende Standards. In der Videoüberwachungsbranche wird sich H.264 vermutlich zuerst in Anwendungen durchsetzen, die hohe Ansprüche an Bildrate und Auflösung stellen, so bei der Überwachung von Autobahnen, Flughäfen und Spielhallen, bei der Bildraten von 30 bzw. 25 Bilder/s (NTSC bzw. PAL) die Norm sind. In diesen Bereichen ist das Potenzial von Kosteneinsparungen durch geringere Anforderungen an Bandbreite und Speicher am größten.

Ebenso wird erwartet, dass H.264 die Akzeptanz von Megapixel-Kameras in der Überwachungsbranche beschleunigt, da das hocheffiziente Komprimierungsverfahren deutlich reduziertes Datenvolumen und Bitraten ohne Einbußen bei der Bildqualität ermöglicht. Allerdings muss man bei H.264 berücksichtigen, dass für die Codierung und Decodierung der Videoinformationen eine höherer Rechenleistung benötigt wird.

Die H.264-Encoder von Axis arbeiten mit dem so genannten Baseline Profil, d. h., es werden nur I- und P-Frames verwendet. Dieses Profil eignet sich ideal für Netzwerk-Kameras und Video-Encoder, da durch den Verzicht auf B-Frames niedrige Latenzen erzielt werden. Eine niedrige Latenz ist in Videoüberwachungsanwendungen mit Live-Überwachung von entscheidender Bedeutung, insbesondere, wenn PTZ-Kameras oder PTZ-Dome-Kameras eingesetzt werden. Die Lizenzthematik ist bei H.264 vergleichbar zu MPEG-4 Part 2 (siehe Abschnitt 7.2.2), wobei H.264-Lizenzen benötigt werden.

Variable und konstante Bitraten