Мультимедиа-технологии и CCTV

Предисловие
В настоящее время все больше систем CCTV становятся цифровыми. Не удивительно, что существующие технологии обработки видеоизображения находят в них широкое применение. Насколько это оправданно?
Специалисты фирмы Geutebrueck, выпускающей цифровые устройства видеозаписи более 15 лет, не разделяют общепринятое мнение о применимости мультимедиа-технологий для решения задач, стоящих перед системами охранного телевидения. Позицию Geutebrueck поясняет доктор Маттиас Дёринг (Dr. Matthias Döring)

« Нам часто задают вопросы
-Что заставляет нас придумывать собственные решения? Почему мы делаем то, что делаем уже более 10 лет?
-Почему мы не можем просто использовать технологии мультимедиа и IT для сжатия, хранения и передачи изображений, как делает большинство наших конкурентов?
-Зачем нужен наш собственный алгоритм MPEG4CCTV, и почему недостаточно просто встроить имеющиеся чипы MPEG4 и H.264 в наши продукты?
-Почему мы не используем стандартные базы данных, такие как Oracle и MS SQL, зачем мы разрабатываем свой собственный сервер базы данных для хранения видеоархива?
-Почему мы не применяем Multicast и WEB-технологии передачи изображений, но реализуем собственный протокол передачи?
-Зачем мы «изобрели» собственный формат экспорта GBF? Неужели AVI, FLV и MPEG-форматы недостаточно хороши?
-Что делает системы CCTV столь непохожими на другие приложения, такие как мультимедиа, чтобы оправдать дорогостоящие исследования и разработки, которые делались нами на протяжении последних 10-12 лет?
-Появится ли как-нибудь однажды «цифровой» стандарт для CCTV, подобный PAL/NTSC в «древние» аналоговые времена?

Если вы бывали в Англии, вам знакома проблема с английской розеткой, к которой не подходит вилки электроприборов, сделанных в Европе. Иногда мне даже удавалось воткнуть одно в другое, правда, слегка повреждая их . И это работает!
Основная проблема – совместимость требований CCTV с возможностями мультимедиа-технологий. Внедрение мультимедиа-технологий в продукты CCTV ведет к появлению неприемлемых компромиссов. CCTV требует специальных подходов и решений для выполнения своих требований.»

Д-р Дёринг приводит девять аргументов в доказательство своей позиции.

Аргумент 1
CCTV и мультимедиа имеют мало общего
Мультимедиа обычно подразумевают телевидение (вещательное, мобильное, интернет), DVD, видеоконференцсвязь, веб-камеры и другие приложения, всем хорошо известные.
CCTV - это в первую очередь наблюдение (surveillance), включая охранное телевидение, контроль и анализ технологических процессов, верификацию доступа персонала на охраняемые территории.
И в Мультимедиа, и в CCTV источник информации – движущееся изображение, получаемое с помощью телекамеры. Оно может сопровождаться звуком и текстовой информацией. Специалисты, работающие в обеих областях, решают одну и ту же задачу – как сохранить и предать эту информацию пользователям.
Но несмотря на одинаковые источники данных, обе технологии серьезно отличаются в целях их использования, что и приводит к тому, что реальные системы совершенно не похожи.

Аргумент 2
Цели обработки изображений различны
В мультимедиа изображения сами по себе есть цель видеообработки, итоговый продукт.
Общее и основное требование мультимедиа – изображение должно быть наивысшего качества, какое только можно получить с используемой выбранной платформы. Безусловно, понятие «наивысшего качества» отличается для разных мультимедиа-продуктов: мультимедиа-изображение на экране мобильного телефона нельзя сравнить с изображением домашнего кинотеатра. Но во всех случаях остается стремление его максимально улучшить, насколько это позволяет технология.
Коль скоро изображения – основной продукт мультимедиа, понятно также стремление сохранить все изображения. Потеря или удаление части изображений ухудшает итоговый мультимедиа-продукт. Выиграет ли фильм, если из него убрать часть кадров?
В охранном телевидении совершенно иная цель, и об этом часто забывают. Споря о вопросах технологии, мы теряем то истинно ценное, что стоит за всеми технологиями: наша задача - безопасность. Наша цель – не изображения сами по себе, и не сохранение всех изображений, но извлечение из них необходимой информации. Мы должны гордиться, если нам удастся освободиться от ненужных кадров, потому что они отнимают наши ресурсы, заставляя тратить средства впустую.
Качество изображений, используемых для целей безопасности, должно быть настолько высоким, насколько это необходимо.
Например, у нас имеется видео детектор движения, который выдает сигнал тревоги, как только в зоне наблюдения появится движущийся объект. Нет смысла устанавливать высококачественную телекамеру, позволяющую рассмотреть детали – эта информация не будет использована для получения результата
Таким образом, в охранном телевидении изображения вторичны, а главное – извлечь из них информацию, касающуюся безопасности.
Более того, мы должны избегать лишних изображений. Представим себе телекамеру, стоящую на въезде в парковку. Нет никакого смысла оставлять в архиве изображения пустой дороги – они не представляют никакой ценности.

Аргумент 3
Изображения мультимедиа и CCTV отличаются по своим характеристикам
Рассмотрим два примера.
Первый – это кадры из кинофильма.
Второй – изображение телекамеры, расположенной на автостоянке. Девять из десяти телекамер, инсталлированных в системах CCTV, показывают примерно так же.
Рассмотрим основные отличия:
Мультимедиа
• высокая динамика, много движущихся объектов в кадре
• частая смена сцен и ракурсов
• быстрые изменения освещенности

CCTV
• движений нет или они незначительны
• фиксированная сцена
• медленные изменения (например, день-ночь, времена года)
В CCTV обычно ничего не происходит. Напротив, в мультимедиа движение – это нормальное состояние.
В CCTV движение, изменения – это исключение. Именно анализ изменений кадра и есть задача CCTV.

Аргумент 4
Насколько велика доля полезной информации?
Ответ на этот вопрос в случае с мультимедиа очень прост – 100%. Вы не можете выбросить ни одного кадра из фильма, не ухудшив его качество. Вы не захотите потерять ни одного кадра видеоконференц-связи, которую ведете.
В CCTV ситуация абсолютно иная. В среднем более 90% изображений – мусор, кадры, не нужные для выполнения задач безопасности. Остальные 10% составляют «подозрительные изображения», требующие анализа или внимания оператора. Реальными «тревожными» изображениями являются меньше 1% от их общего количества
Таким образом, суммарная доля полезной информации в видеоматериале CCTV очень мала. Наличие «лишних» изображений снижает его ценность с точки зрения задач безопасности.
Хранение и передача ненужных изображений приводит также к неоправданным материальным затратам. Например, при стоимости архива 10Тб около 5000 евро хранение абсолютно всех видеоданных, получаемых с камеры CCTV, означает, что 90% (4500 евро) были потрачены зря.

Аргумент 5
Мультимедиа-сжатие близко к теоретическому пределу. Методы фильтрации контента, используемые в CCTV, позволяют преодолеть его
Какие возможности для сжатия видеоданных существуют в мультимедиа?
Простой пример: изображение автомобильной парковки.
Один час несжатого видео занимает 73Гбайт (при разрешении 704*576, разрядности 8 бит на каждый отсчет, формате цветового кодирования 4:2:2, 25 кадров в секунду). Если сжать это видео с помощью алгоритма M-JPEG, то останется примерно 5-6 Гбайт. Применение алгоритма с межкадровым сжатием - MPEG4 или H.264 – даст в результате около 1 Гбайт. В первом случае сжатие достигнуто за счет удаления пространственной избыточности, содержащейся в потоке изображений, а во втором случае – также и временной.
Алгоритмы, заключающиеся в удалении такой избыточности, стандартизованы.
Полученный нами во втором случае коэффициент компрессии, равный 70, – это хорошо для мультимедиа, но недостаточно для CCTV, особенно если в системе 200-300 телекамер. Даже самый лучший на сегодня стандарт H.264 даст, возможно, не 1 Гбайт, а 500 Мбайт сжатого видео в час. Но это по-прежнему слишком много.
Вернемся к нашему примеру с парковкой. Для целей CCTV достаточно только видеть, какие автомобили въезжали туда. Анализ выбранного для примера отрезка видеозаписи показал: если выделить только кадры, содержащие движение – останется 20 Мбайт полезной информации. Получился коэффициент компрессии, который кажется экзотическим – 3500. А если нас интересуют только люди, которые входили на парковку (т.е. подозрительные ситуации) – то остается только 2 Мбайт.
Примененный метод фильтрации контента позволяет таким образом достичь огромного сжатия, невозможного в случае с мультимедиа. Мы не просто удаляем пространственную и временную избыточность в видеоинформации, мы удаляем также несущественные кадры, и эффект от этого намного выше.
Методы фильтрации контента не стандартизованы, и каждый производитель разрабатывает свои.

Аргумент 6
Могут ли мультимедиа форматы быть использованы в CCTV?
Широко распространенные форматы видео (MPEG и др.) имеют следующие характеристики:
• Ведут одноканальную запись
• Рассчитаны на навигацию с точностью до сцены (фрагмента).
• Имеют фиксированные параметры сжатия (разрешение в пикселах, качество, скорость следования кадров, тип кодера). Например, если вам требуется записывать видео со скоростью 2 кадра в секунду – многие мультимедиа-кодеки не поддерживают такую скорость.
• Имеют ограничения на объем видеофайла (например, 1 Гб для DVD)
• Обладают скудными способностями встраивания дополнительной информации (метаданных). Такими данными, например, могла бы быть информация о тревогах.
Что требуется для CCTV?
• Многоканальная запись с возможностью синхронного воспроизведения нескольких видеоканалов
• Переменные скорость, разрешение, качество, управляемые в соответствии с потребностями системы
• Точное позиционирование на каждом кадре
• Индексирование с использованием метаданных (т.е. возможность поиска изображений по встроенным метаданным – параметрам тревоги, номеру банковского счета, бар-коду и т.п.)
• Аутентификацию и защиту видеоданных от несанкционированного вмешательства • Размеры файлов терабайтного диапазона
Использование стандартных файлов мультимедиа-формата вцелях CCTV , по меньшей мере, неудобно.

Аргумент 7
Подходят ли мультимедиа-проигрыватели для CCTV
Проигрыватели мультимедиа-файлов широко распространены. Представим себе, что получится, если использовать какой-либо из таких проигрывателей в целях CCTV.
Мультимедиа-проигрыватель, как правило, имеет следующие свойства:
• Проигрывает только один канал одновременно.
• При ускоренном перемещении по видеозаписи вперед и назад (перемотке) движение получается неравномерным. Как правило, перемотка назад работает намного хуже.
• Отсутствует точное по-кадровое позиционирование.
Специализированные проигрыватели для CCTV:
• Проигрывают многие каналы одновременно и синхронно
• Обладают развитыми средствами навигации внутри видеоархива, с равномерным перемещением вперед и назад с произвольной скоростью и позиционированием на любом кадре.
• Позволяют автоматически изменять параметры экрана, например, в случае тревоги
Необходимо заметить, что широкие возможности специализированных проигрывателей для CCTV обусловлены именно отказом от использования стандартных форматов мультимедиа.

Аргумент 8
Мультимедиа, как правило, опаздывает
Хотелось бы обратить внимание на временной аспект.
Цифровая обработка изображения требует времени. Оптимизация алгоритмов сжатия приводит к увеличению задержек при кодировании и декодировании информации. Эти задержки не могут быть устранены простым увеличением вычислительной мощности; они происходят вследствие определенной структуры передаваемых кадров.
Насколько критичными являются задержки, связанные с использованием той или иной технологии обработки видео?
Приложения мультимедиа, как правило, характеризуются следующими временными параметрами:
• Допустимая задержка при передаче видеопотока – несколько секунд
• Допустимая задержка при смене изображения (переключении видеоканалов) – несколько секунд
• Редкие и медленные изменения параметров компрессии во времени.
Для приложений CCTV ситуация резко противоположная. Возникновение задержек даже в доли секунд существенно ухудшает возможности системы:
• При передаче «живого видео» задержка препятствует нормальному управлению скоростными поворотными телекамерами
• При задержке тревожных кадров теряется их актуальность
• Задержка при смене сцен и переключении каналов замедляет работу оператора
• Требуется быстрое изменение параметров компрессии в зависимости от ситуации (например, при возникновении тревог).
Можно сказать, что задержки видеоинформации в системе CCTV сводят на нет ее полезные свойства, и лишают ее права на существование!

Аргумент 9
Модели распределения информации в мультимедиа и CCTV различны
Модели распределения информации в мультимедиа-среде и CCTV имеют очевидную разницу.
В первом случае информация от одного или нескольких немногих источников информации передается огромному количеству ее потребителей. Сюда подходит термин «тиражирование». Потребители информации не могут, как правило, влиять на источник информации каким-либо образом.
Во втором случае количество источников видеоинформации велико и намного превышает число ее потребителей. Это можно назвать «сбор информации». Потребители в системе CCTV не только получают информацию, но и активно воздействуют на систему – изменяют конфигурацию отображения, подтверждают тревоги, управляют поворотными телекамерами.
Различия обеих моделей распределения информации представлены в таблице:
Параметр системы Мультимедиа СCTV Число видеоканалов Небольшое Значительное Число потребителей информации Очень велико Несколько Число каналов видео, передаваемое одному потребителю в каждый момент времени Один Много Требования интерактивности Низкие Высокие Допустимые задержки передачи информации Большие Очень маленькие Требование бесперебойного функционирования Отсутствует Очень важно Как мы видим, в этих характеристиках нет ничего общего!