Опорний кадр в H.264. Маленький параметр з великими наслідками

1. Структура кодека H.264
2. Що таке "опорний кадр"?
3. Оптимальна частота проходження опорних кадрів
4. Значення опорного кадру для відеоспостереження
5. резюме

Кодек H.264 де-факто став стандартом в IP-відеоспостереження. Переваги межкадрового стиснення очевидні - менше потік, менше навантаження на ЛВС, менше обсяг архіву. Обчислювальні потужності серверного обладнання ростуть і обробляти потоки в H.264 вже не проблема. Але чи все ми знаємо про H.264? Які параметри кодека і на що впливають? Що таке опорний кадр H.264 �� яке його значення оптимально? Давайте розбиратися.

Структура кодека H.264

Перш ніж говорити про опорному кадрі, потрібно розуміти структуру потоку і принципи роботи кодека H.264. Для початку трохи теорії.

Специфікація H.264 була опублікована ще в 2003 році. Кодек став справжньою революцією в телебаченні високої чіткості. Він дозволив зберігати і передавати зображення з високою роздільною здатністю з високою якістю і бітрейтом в кілька разів меншим, ніж інші формати стиснення. Давайте розглянемо структуру потоку формату H.264.

IP-камера передає повні кадри (JPEG) а між ними передаються тільки кодовані зміни зображення щодо опорного кадру. В цьому і полягає суть межкадрового стиснення. Повні кадри отримали назву I-кадри. Далі слідують P і B-кадри. P-кадри містять інформацію про зміни щодо I-кадру. B-кадри пов'язані як з I-кадрами, так і з P-кадрами. Все це націлене на більш ефективне стиснення і низький потік з високою якістю, але за це доводиться розплачуватися високими витратами на обчислювальні потужності і оперативну пам'ять сервера при декодуванні.

Зі схеми структури потоку можна також помітити, що при декодуванні неможливо відновити зображення з B-кадру поки не буде отримано P-кадр. У зв'язку з цим ми і бачимо затримку в відображенні потоку з IP-камери в H.264.

Існують різні профілі H.264, які відрізняються можливостями з кодування. Що б не заглиблюватися в теорію варто відзначити, що чим вище специфікація профілю, тим вище ступінь стиснення зі збереженням високої якості, але тим більше навантаження на процесор камери для кодування, і на ресурси сервера по декодуванню потоків. Так само, у старших профайлів більше згадана затримка в відображенні потоку з IP-пристрої. Сучасні камери в більшості своїй підтримують Baseline Profile і Main Profile. Професійні IP-камерам доступний High Profile.

Деякі виробники IP-камер надають можливість перемикатися між профілями H.264. В цьому випадку доступний вибір - розвантажити ресурси сервера і зменшити затримку з Baseline Profile, але збільшити потік і дисковий простір для архіву, або переключитися на High Profile і ефективно стискати відеопотік зі збереженням високої якості зображення.

Що таке "опорний кадр"?

У схемі вище видно, що P і B-кадри, по суті, спираються на I-кадр, тобто містять інформацію про зміни щодо I-кадру. Саме тому I-кадр і отримав назву "опорний кадр". Частоту, а точніше період проходження опорних кадрів вказують у вигляді параметра GOP length (Group of Pictures), або GOV (Group Of VOPs). Це цифрове значення вказується числом (10, 32, 64, 100, ...) яке показує скільки кадрів (P і B) слід між опорними I-кадрами.

Можна зустріти назву для GOP length у вигляді терміна "частота опорних кадрів". Це не зовсім коректно і правильніше назвати GOP length - період проходження опорних кадрів. Коли ми збагатилися новою термінологією, можна переходити до налаштування цього параметра.

Оптимальна частота проходження опорних кадрів

Розмір опорного кадру - вагома частина потоку H.264. Чим частіше слід опорний кадр (менше значення GOP length) - тим більше бітрейт, але тим легше його обробляти процесору відеомагазину при декодуванні (відображення на УРМ або роботі відеоаналітики). І навпаки, чим рідше опорний кадр (більше значення GOP length) - тим менше потік, але тим більше можливі артефакти межкадрового стиснення, і тим менше відновлений кадр відповідає реальному зображенню з IP-камери. При великому періоді проходження опорного кадру потрібні великі обчислювальні ресурси ПЕОМ та обсяг пам'яті для зберігання послідовності кадрів для відновлення.

Оптимальне значення періоду проходження опорних кадрів середньої сцени і типових завдань відеоспостереження вибирає виробник IP-камери і виставляє за замовчуванням в налаштуваннях кодека. Зустрічаються IP-камери зі значенням GOP length від 32 до 120 і більше. У той же час, значення частоти опорного кадру (GOP length) значно впливає на роботу систем відеоаналізу, і про це мало хто замислюється, а точніше ніхто і не знає. Ось про це поговоримо докладніше.

Значення опорного кадру для відеоспостереження

Відкриваємо секрет!

Практично вся відеоаналітіка і технології машинного зору в більшості програмних продуктів (VMS) на ринку систем відеоспостереження засновані на аналізі та обробці саме опорних кадрів.

Це пов'язано з тим, що для відновлення додаткових кадрів з потоку H.264 для роботи відеоаналітики довелося б залучити значні обчислювальні ресурси ПЕОМ.

А ось тепер уявіть собі, що для темпу видеоввода 25 к / с і значення GOP = 100 ми отримуємо опорний кадр для роботи відеоаналітики кожні 4 секунди !!! Яка точність і затримка у нас буде, хоча б, в детекції руху? За 4 секунди може статися багато, а алгоритми відеоаналізу цього можуть і не помітити, тому що опорні кадри до виникнення події і після будуть однаковими. Для перевірки цієї теорії ми навіть зняли відеоролик і розмістили його на нашому каналі в YOUTUBE :

Як це не дивно, але про це практично ніхто не говорить. У рідкісних рекомендаціях на форумах техпідтримки можна зустріти рада щодо зменшення частоти проходження опорних кадрів (зменшення GOP) в IP-камері для вирішення проблем з детекцією руху.

Найнебезпечніше в цій ситуації, що проблеми в детекції характерні на бистродвіжущихся об'єктах і при певному збігу обставин. А за всім відомою закону, ці обставини виникнуть в самий невідповідний момент, і в архівах не збереглися буде інформації про те, хто подряпав директорську машину або куди пропав портфель важливого гостя. І розібратися в першоджерелі проблеми практично неможливо. Простіше сказати, що це глюк ПО відеоспостереження, хоча замовнику від цього не легше.

Деякі виробники вирішують цю проблему через зміну налаштувань IP-пристроїв при їх підключенні до VMS. Сімейство продуктів ITV | AxxonSoft (Інтелект, AxxonNext) автоматично змінює значення частоти проходження опорних кадрів в IP-камері і встановлює GOP = 8, але це можливо тільки в тому випадку, якщо камера якісно інтегрована. Якщо ж ми підключаємося по RTSP або Onvif, то цього не відбувається, і в детекції можливі проблеми і пропуски. При цьому слід пам'ятати, що зміна "опорника" сильно позначається на потоці з IP-пристрої та збільшує розмір відеоархіву. Як вирішити цю проблему ми розповідали в статті Налаштування детектора руху в ПО Інтелект .

Інші виробники відновлюють відсутні кадри шляхом часткової декомпресії H.264 і отримання проміжних кадрів для роботи відеоаналітики. Так робить, наприклад, Macroscop. Але, як ми вже помітили, це не дається даром і доводиться розплачуватися високим навантаженням на відеосервер. Про це розповідається в статті Особливості роботи ПО IP-відеоспостереження .

Який варіант краще - сказати складно. Правильним буде в конкретній ситуації і задачі вибрати оптимальне рішення спираючись на знання і розуміння всіх нюансів сучасних технологій і можливостей програмних продуктів. І ці знання ми намагаємося вам доносити в простій і зрозумілій формі через інформаційні статті , відеоролики на нашому каналі, вебінари і семінари .

резюме

Уважно вивчаючи значення і вплив різних параметрів IP-пристроїв відкриваєш для себе багато цікавого, а часом і вкрай важливого для роботи систем відеоспостереження. Хто б міг подумати, що непомітний GOP в IP-камері може надавати настільки істотний вплив на такі базові функції системи відеоспостереження, як запис відеоархіву по детекції руху.

У побудові систем відеоспостереження немає несуттєвих параметрів. У певних ситуаціях будь-яка функція або налаштування може стати визначальною. Фахівці компанії Відеомакс постійно вивчають можливості програмних продуктів і функціонал сучасних IP-камер на реальних стендах, вивчаючи специфікації виробників і спираючись на фундаментальні принципи і знання, отримані в кращих технічних вузах країни.

Результатами цих досліджень ми ділимося зі своїми партнерами, допомагаючи створювати ефективні системи відеоспостереження, які не підведуть і будуть довгі роки вирішувати поставлені замовником завдання. Лінійка обладнання VIDEOMAX увібрала в себе всі останні досягнення в комп'ютерній індустрії і оптимізована для обробки відеопотоків з IP-камер в системах відеоспостереження.

Кожен фахівець інженерного відділу компанії Відеомакс - це гуру в системах відеоспостереження. За будь-якого питання ви можете проконсультуватися у співробітників відділу продажів або інженерного відділу по телефону +7 (495) 640-55-46 або відправивши питання на email: [email protected]

Попереду ще багато корисного для інженерів і проектувальників систем відеоспостереження. Увійдіть на нашому сайті, щоб оперативно отримувати новини про все найважливіше, що відбувається на ринку систем безпеки.