Транскодирование – новая ключевая технология CCTV

Не так давно на специальных форумах, посвященных работе с CCTV, и в сфере маркетинга появилось новое выражение – «транскодирование». Впервые услышав это слово, вы уже можете предположить, что это понятие как-то связано с кодированием и декодированием. Но как именно? Почему оно представляет интерес для современной индустрии безопасности и что может предложить для индивидуального пользователя систем видеонаблюдения?

Текущая ситуация
На современном рынке CCTV существует заметная тенденция движения к полностью цифровым системам. Однако в то время как другие системы безопасности уже прошли этот этап, видеоохранные системы (при преобладании аналоговых элементов) в настоящее время несколько отстают. Но совершено ясно, что мегапиксельные камеры благодаря своим преимуществам – высокому качеству изображения и широчайшим функциональными возможностями – рано или поздно вытеснят камеры стандарта PAL/NTSC.
Сегодня даже бюджетные IP-камеры обеспечивают изображение прекрасного качества с высокой частой кадров и развиваются в направлении мегапиксельных камер. Но помимо мегапикселей современные пользователи CCTV хотят получить и другие характеристики: высокую гибкость и скорость управления качеством, разрешением и частотой кадров, например. Во многих случаях, чтобы удовлетворить все разнообразные потребности пользователя, одного видеоканала на камеру недостаточно, некоторые камеры уже сегодня имеют два и более видеопотоков, которые могут передавать различные свойства изображения. Возможность выбора процесса сжатия также обеспечивает некоторые преимущества, так как не каждый формат в одинаковой степени подходит для той или иной сферы применения.
Даже при использовании высокотехнологичных продуктов возможности управления изображением зачастую ограничены компромиссами, связанными с недостаточными и нерегулируемыми возможностями камер в области компьютерной обработки данных. Это, в свою очередь, приводит к чрезмерно высокой стоимости систем или ограничению функциональных возможностей.
Транскодирование обеспечивает фундаментальный подход к совмещению множества современных технологий и технологий будущего гибким и интуитивно понятным для пользователя образом. С использованием технологий сервера транскодирования не просто исчезают функциональные и связанные с производительностью ограничения IP-камер, но и достигается существенное сокращение затрат. Это связано с тем, что функции, которые не заложены в самой камере, обеспечиваются централизованно, следовательно, расширяется доступный диапазон камер, в который теперь входят и более экономичные модели. Будучи централизованной технологией, транскодирование в принципе регулируется встроенными вычислительными возможностями сервера и не ограничивается аппаратным обеспечением IP-камер.

Транскодирование видео в CCTV
Транскодирование – это преобразование исходного сжатого видеопотока в другой формат сжатия видеосигнала. Результатом является видеопоток (один или более), параметры которого регулируются в соответствии с требованиями текущего пользователя. Такой процесс может включать следующие изменения:
• Разрешения, качества, частоты кадров.
• Пропускной способности.
• Формата сжатия и его параметров, например, структур групп кадров изображений (GOP – Group of Pictures).

Рис. 1 Многоканальный сервер транскодера

На рис. 1 изображена последовательность обработки изображения в канале транскодера. Драйвер камеры представляет собой интерфейс, специфический для IP-камеры. Декодер обеспечивает декомпрессию исходного потока таким образом, что видеоданные доступны в несжатом формате и могут при желании подвергаться обработке. Этот промежуточный этап позволяет:
• Изменять размер и формат изображения.
• Накладывать текст.
• Маскировать части изображения, например, лица и номерные знаки.
• Производить видеоанализ, например, распознавать движение.
• Обеспечивать функциональные возможности «Маскировка частных зон» и «Изучаемая область».
Энкодер может производить выходные потоки данных с различными параметрами наряду с оригинальным потоком данных, который также доступен через обходной канал.
Сервер транскодера – это новый вид компонента централизованной системы в цифровых системах видеонаблюдения. Он обеспечивает вычислительные возможности многоканального транскодирования IP-камер. Как показано на рис. 2, производимые видеопотоки проходят предварительную подготовку, чтобы отвечать индивидуальным требованиям к качеству иных процессов CCTV: трансляции, хранения данных или распознавания.

Рис. 2 Характеристики индивидуального потока с многоканальной потоковой передачей

Несмотря на то что декомпрессия и компрессия предъявляют жесткие требования к производительности компьютера и всё это умножается на большое число каналов, возможности обработки данных, которые еще несколько лет назад были экзотикой, сегодня доступны в современном аппаратном обеспечении и по разумным ценам. Кроме того, специализированные энкодеры систем CCTV снижают производительную нагрузку процессов транскодирования, что делает такие энкодеры практичными и экономически целесообразными, так как дополнительные расходы на аппаратное оборудование для транскодирования компенсируются за счет экономии затрат на хранение и передачу данных, а также использование камер более дешевых моделей.

Преимущества транскодирования
Какие преимущества привносит транскодирование в непосредственное использование потоков видеоданных камер? Когда транскодирование целесообразно, а когда – нет? Давайте более подробно рассмотрим некоторые вопросы.

Использование IP-камер формата JPEG
IP-камеры, использующие технологию сжатия Motion-JPEG, все еще широко используются, существует широкий диапазон дешевых камер с высоким качеством изображения. Однако ахиллесовой пятой таких моделей является относительно низкая эффективность процесса сжатия JPEG. По сравнению с более современными процессами, например H.264, такая камера производит во много раз больше данных и, следовательно, затраты на хранение и передачу данных возрастают в четыре раза и более.
Но если вы используете процесс транскодирования для конвертации JPEG, например в формат H.264, тогда JPEG-камеры можно эксплуатировать в системах CCTV за ту же стоимость, как и камеры, которые непосредственно генерируют изображение в формате H.264. Более низкая стоимость камеры компенсирует затраты на приобретение аппаратного оборудования для транскодирования. Транскодирование в формат H.264 непосредственно снижает требования к хранению или, если посмотреть на это с другой стороны, в равной степени увеличивает длительность записи. При этом коэффициент повышения эффективности может быть равен 4 и более.

Свободно варьируемая многоканальная потоковая передача
Различным пользователям систем CCTV требуются различные свойства видеоматериалов. Всем нужны независимые каналы для просмотра и записи в реальном масштабе времени. По экономическим причинам, несмотря на то что при отсутствии событий канал часто работает с низкой частотой кадров и низким качеством изображения, оба показателя автоматически повышаются в случае возникновения события. Тем не менее для трансляции в реальном масштабе времени совершенно очевидно требуется видеоизображение с высокой частотой кадров. Если необходимо решение этого конфликта задач без компромиссов, тогда исходное изображение нужно отделить от второго независимого видеоканала той же камеры. Именно поэтому многие камеры могут поддерживать функцию потоковой передачи изображения как минимум по двум каналам. Однако ограничения вычислительных возможностей ведут к взаимозависимости двух потоков. В результате пользователь получает либо низкую частоту кадров в двухканальном режиме, либо такая опция недоступна при высоком разрешении камеры. Даже высокотехнологичные камеры, которые отличаются высококачественной двухканальной функцией, достигают своего потолка, когда требуется работа более чем с двумя потоками (рис. 2).
Технология транскодирования позволяет вне зависимости от типа камеры создавать свободно изменяемое число видеоканалов по каждому каналу камеры. Это обеспечивает идеальные параметры изображения в соответствии с предполагаемыми областями применения.

Гибкое управление потоком данных без задержек
Многие IP-камеры имеют очень ограниченные возможности изменения свойств потока видеоданных. Таким образом, разрешение, качество и частота кадров могут регулироваться только несколькими крупными интервалами. Кроме того, часто переключение режимов параметров качества занимает много времени: секунду и более. В таких случаях от повышения качества изображения и частоты кадров в случае возникновения события мало толка, так как слишком много времени проходит между собственно сигналом тревоги и изменением качества изображения, вследствие чего существенная часть важной информации теряется. Иногда эту проблему удается решить за счет постоянной эксплуатации системы при высоком качестве изображения, в котором нет необходимости, что ведет к увеличению расходов.
Транскодирование активирует все параметры, позволяющие регулировать получаемое видеоизображение с небольшим шагом регулировки вне зависимости от камеры. При оптимальной регулировке транскодера переключение может занимать минимальное количество времени. Таким образом, в описанной выше ситуации тревоги может быть обеспечено высокое качество изображения без задержек (рис. 3).

Рис. 3 Управление потоком данных с регулировкой сигналом тревоги

Теперь стало проще интегрировать IP-камеры в систему при помощи транскодирования. Вам больше не нужно управлять потоком данных из самой камеры. Достаточно подавать на сервер транскодера изображение камеры одного потока с максимально возможным качеством изображения и частотой кадров. Для управления потоком данных не требуются логико-информационные возможности камеры, а от интерфейсов системы CCTV – поддержка индивидуальных команд камеры.

Применение специально модифицированных технологий сжатия CCTV
Поддерживаемые IP-камерами процессы сжатия видеосигнала в значительной степени отличаются у разных производителей и, как правило, только частично удовлетворяют специальным требованиям проектов CCTV. Помимо случаев, когда процессы сжатия специально модифицированы под систему CCTV, недостатки в сфере комфорта, гибкости и функционала становятся очевидными, когда пользователи переходят к видеоданным.
Транскодирование не зависит от параметров встроенных возможностей камеры в области сжатия видеосигнала и позволяет конвертировать собственные форматы сжатия камеры в измененные форматы, которые более эффективно подходят к требованиям CCTV. Примеры измененных форматов – специальные кодеки, которые соответствуют общепризнанным стандартам, но оптимизированы под пользователей CCTV.
Иные существенные аргументы для применения технологии транскодирования включают:
• Возможность интеграции обработки изображения в транскодер.
• Функциональную гомогенизацию самой системы CCTV при объединении камер различных производителей. Все функции транскодера будут доступны, несмотря на тип каждой отдельной камеры.
• Применение функций, например, динамической потоковой передачи данных в реальном масштабе времени (DLS), которая автоматически согласует разрешение потока с размером окна на мониторе оператора. Это обеспечивает значительное сокращение ширины полосы пропускания для многоканальной трансляции данных в реальном масштабе времени.

Резюме
Тогда как современная тенденция подразумевает комплектацию IP-камеры всё большими и большими возможностями в области логико-информационных технологий и вычисления, технология транскодирования движется в абсолютно противоположном направлении. Камеру снова рассматривают в свете ее фактического функционала – как источник высококачественного изображения. Потребность в логико-информационных возможностях камеры снижается, функционал становится более однородным, а интеграция – проще. При работе с множеством стандартных проблем CCTV централизованный подход в области транскодирования имеет преимущества по сравнению с децентрализованным подходом, обусловленным характеристикой отдельных камер. Это особенно актуально для больших систем, имеющих сотни каналов.
Конечно, транскодирование – это не панацея. Специальные требования к системе определяют ее целесообразность и форму, а также ожидаемую экономию затрат и функциональные преимущества. Одни проблемы можно более эффективно решить при помощи технологии транскодирования, чем опираясь на возможности камеры. Другие – проще решить непосредственно в камере, и это, следовательно, является аргументом в пользу децентрализованных логико-информационных возможностей. Конфликт парадигм централизованных и децентрализованных логико-информационных возможностей является искусственным и в действительности не существует. Оба подхода имеют право на существование.