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Alguma Teoria
Compressão H.264 - aprender e usar, na prática
Atualmente, a compressão H.264 tornou-se um padrão em gravadores de vídeo digital (DVRs). Os dispositivos mais avançados permitem ao usuário controlar a taxa de compressão e muitos parâmetros do fluxo de vídeo injetada na rede. Para entender o impacto das mudanças e os intervalos permitido, os usuários devem conhecer os princípios gerais deste método de compressão de vídeo.
Os princípios gerais de compressão H.264
H.264 é atualmente o padrão de compressão mais popular e mais eficiente de vídeo. A primeira versão foi lançada em 2003. H.264, também conhecido como MPEG-4 pt. 10, ou AVC, foi originalmente concebido para transmitir dados de vídeo através da rede, tais como conferências, vídeos, filmes. Ele também encontrou aplicação em compressão de vídeo de alta definição, incluindo Blu-ray.
O alto desempenho do H.264 é o resultado de previsão e estimativa de métodos para quadros selecionados do vídeo. A normal, sinal de vídeo não comprimido consiste em quadros de vídeo apresentadas uma após a outra na sequência temporal correta.
Exibição de vídeo não comprimido
Em H.264 existem 3 tipos de frames: I - Intra Coded, P - Predictive, B - Bi - predictive. As frames I contêm informações imagem completa, as frames P transportar informações acerca das alterações entre adjacentesP ou frames I, permitindo a reconstrução da imagem, as frames B complementar as informações sobre as mudanças de imagem no tempo e se destinam a facilitar a transição entre frames P e P, I e P. O tamanho de cada quadro depende de muitos fatores, mas pode-se supor que o tamanho da frame P é cerca de 60% do tamanho das frames I, e B poderá ser reduzido até 10% do tamanho da frame I.
Stream de vídeo comprimido
Sequência de descompressão
Algoritmo H.264 é complicado. Existem vários tipos e graus de compressão, e a descodificação do fluxo pode exigir considerável poder de computação. Em dispositivos autónomos, como DVRs, as interfaces de usuário são geralmente projetados para permitir que usuários de configuração simples e rápida. Deve ser lembrado que:
- movimento mais na visão da câmera, o que mais dados são necessários para uma boa estimativa;
- menor número de I-frames resultados em menos imagem precisa da situação real;
- além dos dados de vídeo, o encapsulamento em pacotes aumenta o tamanho total dos dados transmitidos.
Controlo do H.264 na pratica
A seguir, vamos discutir os parâmetros mais comuns que o usuário pode selecionar e ajustar. Como o dispositivo de demonstração vamos usar Hikvision DS-8108HDI DVR-S, no entanto, a descrição pode ser aplicada com sucesso em outros DVRs baseados em compressão H.264.
O DVR Hikvision oferece a possibilidade de alterar as configurações de imagem a seguir (configuração remota por meio iVMS4000 software):
Janela Remote setting>Video Parameters do Hikvision DS-8108HDI-S DVR
Encoding Parameters - DVRs pode enviar para a rede várias correntes independentes. Se a banda de upload é muito baixo, ou a banda de download no monitorização é insuficiente, existe a possibilidade de selecionar um tipo de fluxo com requisitos mais baixos. Os parâmetros do "Stream Main" são idênticos aos da gravação local.
Stream Type (Video or Audio & Video) - com esta opção o administrador pode decidir se deseja enviar o áudio ou não à rede. Opções de gravação de áudio estão disponíveis apenas a partir do menu local. O fluxo de áudio é pequeno comparado com o fluxo de vídeo, por isso esta opção pode ser usado como uma proteção adicional contra o envio indesejados (áudio) ou um som on / off switch.
Resolution - número de pixels em um campo. Este parâmetro de DVRs é geralmente dada na forma de uma sigla, com base na unidade a seguir:
- CIF (Common Intermediate Format): 352x288 pixels (0.1 MP)
Assim, as siglas são múltiplos da unidade, com o número de pixels igual a:
- 2CIF: 704x288 (202752 pixels, ca. 0.2 MP)
- DCIF (Double CIF): 528x384 (202752 pixels , ca. 0.2 MP). O número de pixels é idêntica à 2CIF, mas a imagem tem relação de aspecto diferente.
- 4CIF: 704x576 (0.4 MP) - atualmente considerada como a resolução máxima de CCTV analógico.
- (D1: 720x576 - muitas vezes confusos e usados de forma intercambiável com 4CIF).
A resolução de D1 tem a sua origem derivada do documento emitido pela UIT-R (União Internacional de Telecomunicações - Sector das Radiocomunicações) com o nome usual de Rec.601 (BT.601). Este documento, emitido em 1982, foi desenhado para determinar o método de digitalização do sinal de vídeo analógico entrelaçado. Um dos parâmetros especificados foi a matriz YCrCb definir as informações da imagem (luminância e dois componentes de crominância em relação às cores vermelho e azul). A norma definiu que cada linha contém 720 amostras de luminância e 320 amostras de crominância. A resolução D1 em analógico sistema PAL, implementado pela primeira vez no Sony e dispositivo Bosch, significa 720x576 pixels. Depois de algum tempo, foi substituída pela Resolução 4CIF mais comuns.
Um dos parâmetros básicos de uma câmara de CFTV analógico ou monitor é poder de resolução horizontal especificado como o número máximo de claro e escuro alternados linhas verticais que podem ser resolvidos em um período horizontal igual à altura da imagem. Não deve ser confundido com o número de linhas de varredura horizontal de um sistema de televisão aberta. A câmara gera PAL 625 linhas horizontais entrelaçadas, 576 dos quais são linhas ativas (carry informações de vídeo), produziu 25 vezes por segundo (como quadros completos, cada um consistindo de dois campos com 312,5 linhas pares e ímpares, com a frequência de varredura de 50 Hz ). Assim, a taxa de varredura horizontal é 15.625 Hz (625x 25, ou 312.5x 50).
Para otimizar a utilizar o padrão, com 576 linhas horizontais e ativa a relação de aspecto clássico de 4:3, o número proporcional de pontos horizontal deve chegar a 768. É o resultado do fato de que os sistemas de TV convencionais em uso atualmente foram originalmente concebidos para conseguir a resolução horizontal e vertical igual ("pixels quadrados"). No entanto, a resolução real vertical é reduzido por Kell fator de 0,7 (as linhas de varredura não são idealmente situada sobre os detalhes da fotografia).
Resolução horizontal (em TVL) é definida como a quantidade de linhas verticais em preto e branco que pode ser visto em um período de 3 / 4 da largura da imagem (igual à altura da imagem).
Resolução horizontal (em TVL) é definida como a quantidade de linhas verticais em preto e branco que pode ser visto em um período de 3 / 4 da largura da imagem (igual à altura da imagem).
Há câmaras de CCTV com vários números de linhas de TV. O vídeo de uma câmara analógica é digitalizada para um dos formatos que CIF (CIF, 2CIF, etc), com a mesma proporção (4:3), mas o lugar de linhas de varredura é tomado por pixels. Para uma boa qualidade, resoluções mais altas (especialmente 4CIF) requerem a usar câmaras com um maior número de linhas de TV, o que corresponde com o maior número de pixels (mais de 528 TVL para 4CIF) e fornecer imagens mais detalhadas, que são convertidos em formato digital.
The number of resolvable vertical lines (VTVL) is directly related to the amount of information carried by each scanned horizontal line. The simplest, yet most convenient way to check actual VTVL of a camera is the analysis of the image of an EIA-1956 test pattern. In practice, the number of resolvable vertical lines, as well as in the case of horizontal lines, means the maximum number of resolvable alternate white and black vertical lines. The horizontal resolution (in TVL) usually provided by the camera manufacturers is defined as the maximum amount of alternate vertical black and white lines that can be resolved over a span of 3/4 of the image width (equal to the image height).
There are CCTV cameras with various numbers of TV lines. For example, a 540TVL camera allows to distinguish 4/3 * 540 = 720 vertical lines (on the total width of the image). The video from an analog camera is digitized to one of that CIF formats (CIF, 2CIF, etc.), with the same aspect ratio (4:3), but the place of scan lines is taken by pixels. For good quality, higher resolutions (especially 4CIF) require to use cameras with a greater number of TV lines, providing more detailed images corresponding with the higher number of pixels in the digital format (more than 528 TVL for 4CIF) .
Bitrate Type - fixo ou variável. Com bitrate variável, o DVR é capaz de detetar os parâmetros do sinal analógico de uma câmara e ajustar a taxa de compressão (para aumentar ou diminuir o número de bits necessários para renderizar o vídeo para um segundo de gravação). Isso otimiza a qualidade das imagens gravadas e / ou transmitida e do tamanho dos dados.
Max Bitrate - especifica o número máximo de bits por segundo que pode ser alcançado pelo fluxo de vídeo compactado. Este valor, devido à natureza da compressão H.264, é uma estimativa. Alguns dispositivos de força de valores mínimos desse parâmetro.
Frame Rate - determina a velocidade de gravação. O olho humano percebe imagem movimento suave a 25 imagens por segundo (fps) ou mais. No entanto, 8 - ou 16 canais DVRs capaz de gravação simultânea de todos os canais a esta velocidade são caros. Na verdade, eles são necessários apenas em casos em que o ambiente monitorizado é caracterizado por elevada dinâmica e variabilidade da cena. Normalmente, este parâmetro pode ser menor, muitas vezes, 6 fps é suficiente. Neste caso, o parâmetro mais importante é a velocidade do obturador da câmara, pois cada quadro do vídeo deve ser acentuada, para a correta identificação de pessoas e objetos.
Video Quality - este parâmetro pode ser definido apenas no caso de taxa variável (VBR). Quanto maior a qualidade de vídeo, menor será a taxa de compressão e vice-versa. DVRs com a opção VBR geralmente preservar a qualidade de imagem acima de um limite de fábrica.
Frame Type, I Frame Interval - definições de fluxo de vídeo. Estes parâmetros se relacionam com o tipo de fluxo transmitidos através da rede do DVR a um PC. Eles podem ser ajustados em alguns DVRs. O número (intervalo) de I quadros determina a qualidade da imagem, mas também muda a exigência de poder de computação necessário para descodificar o fluxo pelo computador cliente. Na maioria dos casos, essas configurações são reservados eo fluxo é gerado automaticamente pelo aparelho.
Configuração de parâmetros para necessidades individuais
Sistemas de videovigilância operar em vários ambientes, de modo a codificação (compressão) parâmetros devem ser definidos para a cena real. Porque o vídeo ao vivo não é comprimido, a influência de alterações de parâmetros só podem ser observados pela transmissão através da rede ou reproduzir gravações de volta.
As duas perguntas mais comuns dos usuários iniciantes são:
- Como configurar os parâmetros de vídeo para obter a melhor qualidade ideal otimamente adaptado para a largura de banda de rede disponível?
- Qual deve ser a largura de banda do link para operação remota do DVR?
O primeiro critério que deve ser seguido ao definir os parâmetros do DVR é a qualidade do material gravado. As gravações têm de ser suficientes para a identificação de pessoas e análise de eventos. A monitorização contínua e remota através da rede é de importância secundária, por isso não necessita de vídeo de alta qualidade.
De acordo com a norma EN 50132-7, o tamanho da representação de um objeto, por exemplo, figura humana devem ser estritamente ligada com o objetivo de o operador - a identificação, reconhecimento, deteção ou a observação geral. Para controlar a multidão - os números devem abranger pelo menos 5% da altura da tela, para fins de reconhecimento - pelo menos 50%, para fins de identificação - pelo menos 120%. Se a posição da câmara e outros parâmetros não permitem tais proporções, a resolução do fluxo de vídeo comprimido pode ser reduzido.
A taxa de quadros selecionados pelo usuário deverá depender da variabilidade no ambiente monitorizado. Normalmente, é o valor máximo oferecido pelo DVR com a maior resolução.
Taxas de imagens típicos usados em vários ambientes:
| 6 fps | 12 fps | 25 fps |
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Bitrate e frame I intervalo estão intimamente ligados. A imagem comprimido em H.264 consiste de frames comprimidos e os quadros gerados com base em vetores (entre outros) de deslocamento. As configurações de compressão deve depender da dinâmica da imagem. Às vezes, a quantidade de informação necessária para gerar o P e frames B é tão grande que ultrapassa a quantidade de dados que descrevem a imagem de "básico". Mas o número excessivamente elevado de I frames reduz taxa de compressão (maior bitrate) e até mesmo estragar a qualidade da imagem.
Alguns exemplos:
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Figura 1 Uma frame I a cada 25 frames Bitrate 3.5 Mb/s | Figura 2 - pior qualidade - os fantasmas visíveis e pixels Uma frame I a cada 2 frames Bitrate 5.8 Mb/s |
As imagens ambos vêm de uma câmara megapixel e têm a mesma resolução (1600x1200), bitrate (3 Mb / s), e taxa de quadros (25 fps). A primeira imagem mostra a imagem com que eu quadro repetido a cada 25 frames, ou seja, uma vez por segundo. A segunda foto mostra a mesma imagem com I quadro repetido a cada segundo quadro. A imagem da foto 2, embora gerada com base em mais dados de "full" frames é de qualidade inferior, com os fantasmas visíveis e pixels. Além disso, o fluxo de dados que tem de ser transmitidos pela rede é muito mais ampla, 5,8 Mb / s ao invés de 3,5 Mb / s.
A configuração ideal da frequência do quadro I é um Hz 0,5-1. Em última instância, o valor deve ser escolhido por avaliar a qualidade de imagem e conhecer a taxa de quadros.
Bitrate refere-se tanto para a transferência de dados através da rede ea taxa de compressão do fluxo de vídeo que é salvo localmente. Definições de taxa de bits para a mesma resolução pode ser diferente, se a imagem compactada é mais ou menos detalhada.
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Figura 3 Bitrate: 256 kb/s | Figura 4 Bitrate: 896 kb/s |
As fotos 3 e 4 mostram as imagens gravadas na resolução 4CIF a 12 fps. No caso da Figura 3, a taxa de bits foi definido para 256 kb / s, para a Imagem 4 - a 896 kb / s. As cenas com uma dinâmica de tráfego moderado, com objeto fixo e um baixo grau de movimento, não tem grandes expectativas. A largura de banda total do fluxo ligado com a Figura 1 é de 290 kb / s, com a imagem 2-970 kb / s.
Na Figura 5, os objetos em movimento (especialmente as pernas da pessoa) são borradas. Isto é devido à taxa de bits muito baixa - o decodificador não tem dados suficientes para gerar precisa frames preditiva.
Imagem 5
Taxa de bits muito baixa - turva objetos em movimento
Taxa de bits muito baixa - turva objetos em movimento
Para as áreas onde o sistema de monitorização de vídeo desempenha um papel preventivo e é usada para observar a cena para uma rápida resposta às ameaças, o bitrate deve ser suficientemente elevado. Em locais onde o sistema fornece uma visão geral e usa deteção de movimento, este parâmetro pode ser definido em um nível relativamente baixo.
A alta taxa de bits é necessária não apenas para observação / gravação de (potencialmente) cenas altamente dinâmico, mas também para renderização precisa de cenas estáticas com detalhes geométricos muito fina, onde é necessário reconhecer textos, pequenos objetos, os rostos das pessoas. As fotos 6 e 7 mostram imagens de uma câmara destinada a tabela de teste e controle remoto DVR, com bitrate de configurações diferentes.
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Imagem 6 Taxa de bits muito baixa Os detalhes da imagem estática são borrados | Imagem 7 Taxa de bits corretamente selecionados |
O bitrates de Imagem 6 é o mesmo que para Imagem 3, e por Imagem 7 como para Imagem 4 (3.5 Mb / s e 5,8 Mb / s, respetivamente). As diferenças em detalhes de renderização são significativas. Na Figura 6, as descrições sobre a unidade de controle remoto são ilegíveis, as linhas do padrão de teste, assim como caracteres finos são borradas e pode ser facilmente confundido. Além disso, áreas de fundo uniforme são apresentados com ruído.
No entanto, imagens estáticas permitem a redução das taxas de frame, de modo que o bitrates eficaz pode ser menor, com a mesma qualidade de imagem.
Todos os ajustes de resolução, bitrate e frame rate estão diretamente relacionados com o tempo de gravação possível em um espaço de armazenamento específico.
Valores recomendados bitrate para várias resoluções e taxas de quadros e os tempos de gravação estimado (1TB)
| 25 fps | 12 fps | 6 fps | |
| 1080p (1920x1080) | 3 Mb/s - 9 Mb/s | 4096 kb/s | 3072 kb/s |
| 32-10 dias | 23 dias | 31 dias | |
| UXGA (1600x1200) | 3 Mb/s - 9 Mb/s | 4096 kb/s | 3072 kb/s |
| 32-10 dias | 23 dias | 31 dias | |
| 720P (1280x720) | 2.5 Mb/s - 6 Mb/s | 1792 kb/s | 1536 kb/s |
| 47-16 dias | 54 dias | 63 dias | |
| 4CIF (704x576) | 1536 kb/s - 2048 kb/s | 896 kb/s | 640 kb/s |
| 63-47 dias | 107 dias | 151 dias | |
| 2CIF (704x288) | 768 kb/s - 1024 kb/s | 448 kb/s | 320 kb/s |
| 126-94 dias | 215 dias | 303 dias | |
| CIF (352x288) | 512 kb/s - 768 kb/s | 320 kb/s | 160 kb/s |
| 189-126 dias | 303 dias | 606 dias | |
| QCIF (176x144) | 160 kb/s - 224 kb/s | 96 kb/s | 80 kb/s |
| 606-433 dias | 1011 dias | 1213 dias |
A estimativa de tempos de gravação em um disco rígido de 1TB (para um único canal) para uma determinada velocidade de gravação resolução, (frame rate), e bitrate. Devido ao tipo de compressão, estas são estimativas aproximadas.
Para visualização de imagens em rede a mais alta qualidade oferecidos pelo dispositivo, o fluxo total será a soma dos fluxos de todas as câmaras. É necessário adicionar cerca de 20% para os valores da tabela, devido à divisão dos dados em pacotes. Por exemplo, o fluxo de 16 câmaras com resolução 4CIF a 12 fps, cada um com uma moderada taxa de bits kb / s 640 será de:
1.2 * 16 * 640 [kb/s] = 12288 [kb/s], que pode rondar até 12.5-13 Mb/s
Taxas de download, tais são os mais populares até mesmo em redes domésticas, no entanto, o gargalo pode ser a velocidade de upload disponível.
Normalmente, a pré-visualização da rede é realizada utilizando um fluxo de auxiliares com menor largura de banda. Exibição de imagens de 16 câmaras na divisão clássica de 4 x 4, até mesmo uma tela FullHD (1920x1080 pixels) irá mostrar a cada janela com resolução de 480x270 pixels, por isso não há necessidade de transmitir imagens 4CIF.
É claro, existem alternativas - para um sistema de monitorização de rotina do fluxo de auxiliares normalmente usa resolução CIF em 6 fps, o que reduz a necessidade de carregar capacidade da rede para:
1.2 * 16 * 160 kb/s = 3072 kb/s, que pode rondar até 3 Mb/s
Se necessário, o usuário pode fechar a visualização de todas as 16 câmeras e selecione a imagem (s) de um ou vários pontos da câmara.
Essas restrições aplicam-se apenas a WAN redes. Dentro de LANs, o FastEthernet (100 Mb / s) ou GbE geralmente são suficientes para a transmissão dos fluxos de vídeo com o maior parâmetros.
Essas restrições aplicam-se apenas a WAN redes. Dentro de LANs, o FastEthernet (100 Mb / s) ou GbE geralmente são suficientes para a transmissão dos fluxos de vídeo com o maior parâmetros.
Geralmente, deve-se lembrar que precisa DVR velocidade UPLOAD suficiente da rede, enquanto o cliente da rede requer velocidade BAIXAR adequada.
Monitorização de vídeo através de telefones móveis
A possibilidade de monitorização remoto se tornou um padrão no CCTV desde o surgimento dos sistemas operacionais móveis. Eles permitem a instalação de várias aplicações criadas em linguagens de programação simples, tanto mais livre e avançado comerciais.
Para um usuário típico de smartphones, as questões mais importantes são:
- Velocidade de conexão necessária
- Transferência de dados para um único canal
O DVR geralmente envia aos telefones móveis uma corrente auxiliar. Dependendo do sistema operacional do telefone e sua versão, bem como o modelo do DVR, o usuário pode visualizar simultaneamente várias número de canais de câmara.
Normalmente, a resolução máxima do fluxo secundário é CIF, o que permite uma maior taxa de frame (lisura do vídeo). Um compromisso prático entre a qualidade da imagem é largura de banda e CIF @ 12 fps com uma taxa de fluxo de 320 kb / s. A visualização on-line com esses parâmetros consome cerca de 2,5 MB por minuto e requer conexão através de uma rede 3G (UMTS), a fim de garantir a velocidade de download adequada. É claro, o fluxo pode ser limitada a um nível mínimo (por exemplo, QCIF @ 6 fps, 64 kb / s). Essa transferência é possível, mesmo em redes 2,5 G (EDGE), mas esses parâmetros são suficientes apenas para uma observação muito geral.
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