Kompresja wideo w systemie dozoru

Guard watching surveillance video

Kamery monitoringu rejestrują ogromne ilości danych. Bez zastosowania kompresji, zarządzanie materiałem wideo przeznaczonym przesyłania i zapisu szybko stałoby się niemożliwe. Kompresja zmniejsza te wymagania, jednocześnie zachowując niezbędne szczegóły oraz możliwość prowadzenia analiz.

Dzięki zastosowaniu kompresji, całodobowe działanie dziesiątek czy nawet setek kamer staje się w pełni wykonalne. Jednak skala niesie ze sobą własne wyzwania. Nawet skompresowane wideo, przy dużej liczbie urządzeń, może generować znaczne koszty przechowywania, które rosną z każdą nową kamerą i każdym dniem przechowywania materiału. Im bardziej wydajna kompresja, tym niższe koszty eksploatacji w trakcie całego okresu użytkowania systemu.

crowded city street in dublin

Jak kompresja stała się bardziej inteligentna

Wczesne systemy dozoru kompresowały każdą klatkę niezależnie, co prowadziło do wysokich przepływności i kosztów przechowywania. Przełom nastąpił wraz z pojawieniem się kodeków wideo, które nie tylko kompresowały pojedyncze klatki, ale także analizowały zmiany między nimi. Kodowanie wyłącznie różnic znacząco obniżyło przepływność i umożliwiło wprowadzenie kamer o wyższej rozdzielczości na szeroką skalę.

Znacząca zmiana nie wynikała z wprowadzenia nowego kodeka, lecz z inteligentnego podejścia do samego procesu kodowania. Zamiast równomiernie kompresować każdą część każdej klatki, inteligentne kodowanie w czasie rzeczywistym analizuje zawartość sceny. Kluczowe obszary zyskują większą przepustowość, podczas gdy statyczne tła otrzymują jej mniej.

Jak działa kompresja wideo

Overview highway terminus intersection

Obraz z kamery nie trafia na ekran w jednej chwili. Kamera rejestruje surowe dane obrazu, koduje je, przesyła przez sieć, a następnie dostarcza do pamięci masowej lub klienta wyświetlającego. Kompresja odbywa się na etapie kodowania. To dzieje się wewnątrz samej kamery. To jedyny punkt w łańcuchu, gdzie oryginalny, nieskompresowany obraz wciąż istnieje, co czyni go najważniejszym etapem, który należy dopracować.

Komponent odpowiedzialny za tę pracę nazywa się kodekiem, co jest skrótem od nazw koder i dekoder. To duet algorytmów, które współpracują ze sobą: jeden kompresuje wideo bezpośrednio w kamerze, podczas gdy drugi odpowiada za jego dekompresję na końcu odbiorczym. Kodeki z różnych standardów nie są ze sobą kompatybilne, dlatego wideo skompresowane w standardzie H.264 nie może zostać zdekodowane przez dekoder H.265. Dlatego właśnie nowoczesne aparaty fotograficzne często obsługują wiele kodeków.

Bardziej zaawansowane kodeki wymagają większej mocy obliczeniowej, co powoduje niewielkie opóźnienie między rejestracją a wyświetlaniem obrazu. W większości przypadków związanych z dozorem, efekt ten jest ledwie zauważalny. Aplikacje wymagające interakcji w czasie rzeczywistym, takie jak sterowanie PTZ, są zazwyczaj bardziej wrażliwe na opóźnienia.

Co właściwie robi kompresja

Nie wszystkie dane zawarte w klatce wideo mają jednakową wartość. Statyczna ściana lub niezmieniony odcinek drogi nie wymagają ciągłego ponownego kodowania. Kompresja rozpoznaje i eliminuje nadmiarowość, jednocześnie zachowując to, co istotne: ruch, twarze, tablice rejestracyjne, zdarzenia.

Kompresja działa na dwóch poziomach:

  • W obrębie jednej klatki, co określa się mianem kompresji wewnątrzklatkowej

Usuwane są szczegóły, których ludzkie oko nie jest w stanie dostrzec. Ramka prezentuje się identycznie. Plik ma zaledwie ułamek swojej pierwotnej wielkości.

  • Kompresja międzyklatkowa, czyli analiza danych pomiędzy kolejnymi klatkami w czasie

Kodowane są wyłącznie piksele, które uległy zmianie. Wszystko inne pozostaje bez zmian i nie wymaga ponownej transmisji. W typowej scenie monitoringu większość obrazu pozostaje niezmienna z klatki na klatkę, co znacząco zmniejsza ilość danych wymagających przechowywania i przesyłania.

Kompresja wideo z monitoringu z natury jest stratna. W przeciwieństwie do kompresji bezstratnej, która zachowuje każdy bit oryginalnych danych, kompresja stratna usuwa informacje, które prawdopodobnie nie wpłyną na użyteczność wideo. W przeciwnym razie pliki byłyby zbyt duże, aby możliwe było ciągłe nagrywanie i przesyłanie danych.

Kompresja bezstratna znajduje główne zastosowanie w przechowywaniu dokumentów i zazwyczaj nie jest wykorzystywana w aplikacjach wideo, z wyjątkiem produkcji filmowej oraz archiwizacji cyfrowej, gdzie zachowanie każdego szczegółu ma większe znaczenie niż wymagania dotyczące przestrzeni dyskowej i przepustowości. Bezstratna redukcja przepływności jest po prostu zbyt mało efektywna; wynikowa wartość przekroczyłaby możliwości infrastruktury sieciowej lub pamięci masowej.

Illustration showing how frames change over time Image to the left: Within a single frame, Image to the right: Across frames over time

Standardy kompresji: H.264, H.265 i kolejne technologie

Wybór kodeka, którego dokonasz, wpłynie na wszystko, co nastąpi później: wymagania dotyczące przepustowości, koszty przechowywania, kompatybilność z platformami VMS oraz urządzeniami klienckimi, a także jakość danych dostępnych do analityki AI. Warto zwrócić uwagę na trzy standardy.

H.264

Advanced Video Coding (AVC)

H.264 od ponad dwóch dekad stanowi fundament technologii wideo w sieciach. Jest niezawodny, szeroko kompatybilny i współpracuje praktycznie z każdą platformą VMS oraz urządzeniem klienckim dostępnym na rynku.

Ograniczeniem jest przepustowość. Utrzymanie klarowności obrazu przy wysokich rozdzielczościach wymaga zastosowania wysokich przepływności, co w przypadku rozległych instalacji kamerowych może prowadzić do znacznych obciążeń. Kodowanie H.264 nie obsługuje również wideo o rozdzielczości większej niż 8K, co nabiera coraz większego znaczenia wraz ze wzrostem rozdzielczości kamer.

Ponad 20 lat w użytkowaniu

H.265

High Efficiency Video Coding (HEVC)

Kodowanie H.265 udoskonaliło standard H.264, oferując porównywalną jakość przy jednoczesnym zmniejszeniu przepływności o 15 do 40 procent. Największym wyzwaniem od zawsze pozostawały kwestie licencyjne. Rygorystyczne kwestie patentowe sprawiły, że włączenie natywnych dekoderów przez dostawców przeglądarek stało się praktycznie niemożliwe, zmuszając wielu użytkowników do ich ręcznej instalacji.

Te problemy z kompatybilnością wciąż nie zostały rozwiązane. W przypadku wdrożeń, gdzie zgodność z klientem nie stanowi problemu, H.265 wciąż zapewnia znaczące korzyści w zakresie wydajności. Jednakże dla nowych wdrożeń dostępna jest teraz bardziej zaawansowana opcja.

Ograniczone wsparcie przeglądarek

AV1

Alliance for Open Media (AOM)

Kodek AV1 został opracowany przez Alliance for Open Media, koalicję obejmującą Google, Amazon, Microsoft i Netflix, i wprowadzony na rynek w 2018 roku jako bezpłatny, otwartoźródłowy kodek. Stworzony z myślą o nowoczesnym streamingu wideo, zapewnia znacznie wyższą efektywność kompresji niż wcześniejsze standardy. Obsługuje również funkcje, takie jak przełączalne nakładki, które osadzają metadane bezpośrednio w strumieniu wideo.

W porównaniu z H.264, AV1 zazwyczaj pozwala na zmniejszenie przepływności o około 40 procent, zachowując przy tym porównywalną jakość obrazu. Czerpie również korzyści z szerokiego wsparcia w nowoczesnych przeglądarkach, systemach operacyjnych i platformach mobilnych, co ułatwia jego wdrożenie i minimalizuje obawy związane z licencjonowaniem.

W przypadku monitoringu oznacza to niższe koszty przechowywania danych oraz mniejsze obciążenie sieci. Zachowanie szczegółów obrazu oznacza również, że analizy AI mogą korzystać z bardziej precyzyjnych danych wizualnych. Kamery obsługujące AV1 mogą jednocześnie korzystać z H.264 i H.265, co ułatwia zarządzanie procesem przejścia.

Zalecane do wdrożeń od podstaw

Rola AI w kompresji wideo

Kodowanie z uwzględnieniem treści wykorzystuje sztuczną inteligencję do rozpoznawania tych fragmentów sceny, które zawierają istotne informacje. Większą przepływność można następnie przydzielić tym obszarom, podczas gdy statyczne elementy tła są kompresowane bardziej agresywnie. Rezultatem jest mniejsze zużycie przepustowości, bez jednoczesnej utraty istotnych szczegółów.

Jakość obrazu ma kluczowe znaczenie dla analiz. Wykrywanie obiektów oraz rozpoznawanie tablic rejestracyjnych zazwyczaj odbywa się na poziomie kamery przed kompresją, ponieważ oryginalny obraz zawiera więcej informacji niż zakodowany strumień.

Generatywna sztuczna inteligencja przyjmuje zupełnie odmienne podejście. Zamiast kodować oryginalny obraz, odtwarza fragmenty wideo podczas jego wyświetlania. To może być uznane za wystarczające w przypadku strumieniowego przesyłania treści rozrywkowych. Nagrania z monitoringu często muszą wspierać dochodzenia oraz służyć jako dowody, co stawia różnorodne wymagania dotyczące precyzji. 

Stefan Lundberg is talking about AV
„Wyobraź sobie sieć detaliczną, która zarządza 2000 kamer rozmieszczonych w 150 lokalizacjach, a wszystkie transmitują obraz w jakości 1080p lub wyższej. Korzystając z technologii H.264, każdego dnia generowane są terabajty danych. Przełączenie tych strumieni na AV1 mogłoby zmniejszyć zapotrzebowanie na przestrzeń dyskową o około 40%”. Stefan Lundberg, Senior Expert Engineer w Axis Communications

Wartość perfekcyjnego opanowania kompresji wideo

Gdy kompresja jest odpowiednio skonfigurowana, znacząco zmniejsza zapotrzebowanie na przepustowość i przestrzeń magazynową, nie obniżając przy tym jakości obrazu, która sprawia, że nagrania z monitoringu są użyteczne. Wpływ wykracza poza oszczędności w przechowywaniu, obejmując wszystko – od czasu przechowywania, przez przepustowość sieci, aż po koszty chmury.

A symbol showing a computer monitor with a cogwheel and a highlighted dollar sign.

Dłuższe przechowywanie bez dodatkowych kosztów

Niższa przepływność oznacza mniejsze zużycie przestrzeni dyskowej przez każdą kamerę każdego dnia. Ten sam sprzęt, który wcześniej przechowywał nagrania wideo z 30 dni, teraz pomieści ich aż 60. Dla organizacji, które muszą spełniać wymogi dotyczące przechowywania danych wynikające z potrzeb ubezpieczeniowych lub kryminalistycznych, to bezpośrednia oszczędność kosztów, osiągnięta bez konieczności inwestowania w infrastrukturę.
AXIS Camera Station Device Compatibility Tool icon

Więcej kamer w tej samej sieci

Pasmo transmisji to zasób o stałej wielkości. Gdy każda kamera zużywa mniej zasobów, ta sama infrastruktura sieciowa może obsłużyć więcej kamer lub kamery o wyższej rozdzielczości, bez konieczności modernizacji. Jest to przydatne zarówno przy wdrażaniu nowych rozwiązań, jak i rozbudowie istniejących systemów.
A symbol showing a camera connected to a cloud with a play symbol

Obniżenie kosztów chmury

Przesyłanie wideo do chmury jest kosztowne, a wydatki rosną proporcjonalnie do przepływności. Efektywna kompresja pozwala utrzymać wymagania dotyczące przechowywania i przepustowości pod kontrolą, co jest szczególnie istotne w większych wdrożeniach, gdzie nawet niewielkie redukcje mogą z czasem przynieść znaczące korzyści.

Kilka słów o porównywaniu wydajności kompresji

Sama wartość przepływności nie stanowi miarodajnego wskaźnika efektywności kompresji. Kamera może osiągnąć niższą przepływność, odrzucając większą ilość informacji wizualnych. To z kolei może wpłynąć na pogorszenie jakości obrazu, ograniczając tym samym przydatność wideo. Kluczowe jest, ile szczegółów udaje się zachować przy określonej przepływności. Jak właściwie wygląda nagranie wideo i czy zachowuje szczegółowość niezbędną do analiz i zastosowań kryminalistycznych? To porównanie może okazać się trudne. Dwie kamery ustawione obok siebie nie uchwycą identycznych obrazów. Ponieważ żadne dwie sceny nie są identyczne, wydajność kompresji najlepiej oceniać w środowisku, w którym kamera będzie faktycznie używana.

Odkrywanie rozwiązań w zakresie kompresji wideo

Servers and window with cityscape sunset

Axis Zipstream

Technologia kompresji dostosowująca się do treści, która zmniejsza zużycie przepustowości i przestrzeni dyskowej o 50 procent lub więcej, jednocześnie zachowując jakość obrazu na poziomie dochodzeniowym.
AXIS Q1715 mounted above escalator

Kodek AV1

Otwarty i wolny od opłat kodek, który zapewnia wysoką jakość wideo przy niskich przepływnościach. Natywna obsługa we wszystkich przeglądarkach, systemach operacyjnych i platformach chmurowych, bez komplikacji licencyjnych, które wcześniej hamowały rozwój standardów.
Man watching data insights dashboard

Oprogramowanie do zarządzania materiałem wizyjnym

Oprogramowanie do zarządzania wideo stanowi interfejs, za pośrednictwem którego operatorzy wchodzą w interakcję z systemem dozoru. Zapewnia dostęp do transmisji na żywo, nagrań oraz zdarzeń systemowych z jednego miejsca.

Rozważania dotyczące wdrożenia

Kompresja wpływa nie tylko na przechowywanie i przepustowość. Wybrane ustawienia mają wpływ zarówno na wydajność systemu, jak i na jakość nagrywanego wideo.

Beltway with cars marked with yellow boxes

Przeprowadź analizę AI, zanim przystąpisz do kompresji

Umiejscowienie AI w obiegu ma kluczowe znaczenie. Analizy oparte na sztucznej inteligencji, takie jak wykrywanie obiektów czy rozpoznawanie tablic rejestracyjnych, powinny być przeprowadzane na kamerze jeszcze przed kompresją. Skompresowane wideo zawiera mniej informacji wizualnych niż oryginał, co wpływa na wiarygodność interpretacji dokonywanych przez systemy analityczne.

Zgodność kodeków w całym Twoim systemie

Każde urządzenie w łańcuchu musi obsługiwać ten sam kodek, w tym kamery, oprogramowanie do zarządzania wideo, serwery pamięci masowej oraz klientów do podglądu. Kamery obsługujące standardy H.264, H.265 oraz AV1 oferują większą elastyczność, ułatwiając integrację z istniejącymi systemami i jednocześnie wspierając przyszłe modernizacje.

Jakość, przepływność i szerokość pasma

Ustawienia kompresji muszą znaleźć złoty środek między jakością obrazu a wymaganiami dotyczącymi przechowywania i przepustowości. Zbyt mała kompresja prowadzi do większego zużycia zasobów, natomiast nadmierna może zaciemniać szczegóły istotne dla dochodzeń oraz codziennych działań operacyjnych.

Odpowiednie ustawienie zależy od charakteru sceny oraz celu nagrania. Testuj wydajność kompresji w rzeczywistych warunkach, a nie w idealnych. Narzędzia projektowe, które umożliwiają oszacowanie przepływności dla każdej kamery i przypadku, mogą pomóc w planowaniu.

Wymiarowanie pamięci masowej

Przepływność określa, jak szybko zapełnia się pamięć masowa. Przed wdrożeniem lub rozbudową systemu należy obliczyć przewidywaną przepływność dla każdej kamery, a następnie pomnożyć ją przez liczbę kamer oraz wymagany okres przechowywania danych.

System, który na początku wydaje się przystępny cenowo, może szybko stać się kosztowny, jeśli przestrzeń magazynowa wyczerpie się wcześniej, niż przewidywano, lub jeśli później dodane zostaną kamery bez ponownej analizy pojemności.

AV1 staje się nowym standardem bazowym

Wsparcie dla AV1 nieustannie się rozwija, obejmując coraz więcej platform chmurowych oraz szerszy ekosystem oprogramowania. W miarę jak wsparcie dla dekoderów staje się powszechne, wiele barier, które utrudniały przyjęcie H.265, zaczyna zanikać, co czyni AV1 bardziej praktycznym wyborem dla nowych wdrożeń w zakresie dozoru.

Chmura kładzie szczególny nacisk na efektywność

Przeniesienie wideo do chmury sprawia, że efektywność kompresji nabiera kluczowego znaczenia, ponieważ koszty przechowywania i transmisji rosną proporcjonalnie do przepływności. W większych wdrożeniach, gdzie nagrania wideo są przechowywane przez dłuższy czas, nawet niewielkie obniżenie przepływności może z czasem przynieść znaczące korzyści.

W miarę jak rozwija się nadzór oparty na chmurze, sama jakość obrazu przestanie wystarczać jako jedyny wyznacznik wydajności kompresji.

Inteligentniejsze kodowanie, bardziej precyzyjna kontrola

Coraz większy nacisk kładzie się na maksymalne wykorzystanie możliwości istniejących kodeków. Kodowanie dynamicznie dostosowuje się do treści sceny, pory dnia oraz poziomu aktywności. Funkcje takie jak przełączalne nakładki osadzają metadane bezpośrednio w strumieniu wideo, umożliwiając jednoczesne dostarczanie obrazu i uporządkowanych danych bez dodatkowego obciążenia pasma.

Koszty przechowywania wciąż pozostają kluczowym czynnikiem

Przechowywanie danych to jeden z największych stałych kosztów w systemach dozoru, a zapotrzebowanie na nie nieustannie rośnie wraz ze wzrostem rozdzielczości i wydłużaniem okresów przechowywania. Bardziej wydajna kompresja pomaga zrównoważyć ten wzrost. Niższe przepływności zmniejszają zapotrzebowanie na przestrzeń dyskową, a także mogą ograniczyć ilość sprzętu wymaganego w trakcie eksploatacji systemu.

Nowe standardy będą nieustannie pojawiać się na horyzoncie

Kompresja wideo to dynamicznie rozwijająca się dziedzina, w której nieustannie pojawiają się nowe standardy. Migracja pomiędzy standardami wymaga czasu, a istniejące systemy muszą nadal funkcjonować. Sukces nowych kodeków polega na ich zdolności do poszanowania istniejących rozwiązań oraz zachowania z nimi kompatybilności.

Nie wszystkie nowe standardy zyskają na popularności. Adopcja kodeka zależy w równym stopniu od licencjonowania i dynamiki branży, co od jego wydajności technicznej. Dla większości organizacji długoterminowa elastyczność ma większą wartość niż próby przewidywania, który kodek stanie się dominujący w przyszłości.

Uwagi na temat kompresji generatywnej AI

Branża z entuzjazmem bada możliwości wykorzystania generatywnej sztucznej inteligencji jako metody kompresji. Nagrania mogą być niezbędne do wsparcia dochodzeń lub jako dowody, dlatego wideo musi wiernie odzwierciedlać to, co zarejestrowała kamera.

Businessman with tablet in his hands

Inteligentna kompresja w praktyce

Biała księga wyjaśniająca, w jaki sposób kompresja uwzględniająca zawartość zmniejsza wymagania dotyczące przechowywania danych, jednocześnie zachowując szczegóły niezbędne do prowadzenia dochodzeń.

Axis site designer genetec streamvault calculator

AXIS Site Designer

Szacowanie wymagań dotyczących przechowywania i przepustowości przed wdrożeniem pozwala wyeliminować dużą część domysłów. AXIS Site Designer pomaga w konfiguracji urządzeń, obliczaniu wymagań systemowych oraz tworzeniu kompletnej listy materiałów.

Stefan Lundberg is talking about AV

AV1 bez tajemnic

Stefan Lundberg, Senior Expert Engineer w Axis, wyjaśnia, czym jest AV1 dla sieciowego wideo oraz jak wypada w porównaniu z H.264 i H.265.

Servers and technician with laptop

Przechowywanie nagrań z monitoringu

To, gdzie i w jaki sposób przechowujesz nagrania wideo, ma kluczowe znaczenie dla możliwości Twojego systemu dozoru. Odpowiednia architektura pamięci masowej zapewnia łatwy dostęp do nagrań wideo, przewidywalne koszty oraz gotowość systemu do skalowania.

Axis object analytics time in area

Analiza wideo

Nowoczesna analiza wideo potrafi automatycznie rozpoznać, co dzieje się na nagraniu. Odkryj, w jaki sposób sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe pomagają organizacjom czerpać większą wartość z ich systemów wideo.

operator surveillance system room

Użyteczność obrazu

Nagrania z kamer monitoringu są tak użyteczne, jak szczegóły, które potrafią uchwycić. Użyteczność obrazu decyduje o tym, czy twarz zostanie rozpoznana, tablica rejestracyjna odczytana, czy zdarzenie zrozumiane. Odpowiednie połączenie rozdzielczości, oświetlenia i przetwarzania zamienia nagranie w dowód, który można wykorzystać.