Ulaz za korisnike

Univerzalno rješenje protiv provale?

|
Univerzalno rješenje protiv provale?
 
Univerzalno rješenje protiv provale?
Danas kad su digitalno video snimanje i mrežni video prikaz postali vodeći trend, pažnja je usmjerena nametodologije prenošenja i pohranjivanja digitalnih podataka na najučinkovitiji način kako bi se ostvarili manji troškovi i željena performansa.

Ovaj će izvještaj uključiti široku raspravu o metodologijama digitalne video kompresije - naročito Motion JPEG (M-JPEG), MPEG-2, i MPEG-4—te njima najbolje odgovarajuće aplikacije. Izvještaj će se usredotočiti i na MPEG- 4, budući da je taj standard kompresije u zadnje vrijeme dobio na popularnosti, iako je i dalje dosta nerazumljiv.

Zbog toga ćemo ispitati popularnost stvarnost MPEG-4-a te bolje pokušati shvatiti što zapravo nudi korisnicima. Izvještaj će završiti s preporukama koje odgovaraju na pitanja: Je li se koja pojedinačna metodologija pokazala toliko učinkovitom da bi industrija trebala nastaviti u tom smjeru? Ili postoji kombinacija standarda koji su učinkoviti te odgovaraju širokom rasponu postojećih aplikacija prijenosa i pohranjivanja?

Ukratko: Odgovara li jedan standard kompresije svim aplikacijama ?

Kod razmišljanja o ovom pitanju i kod izrade aplikacije za mrežno video nadgledanje, u obzir bi se trebala uzeti sljedeća pitanja:

  • Kolika je brzina prijenosa ( frame rate) potrebna?
  • Je li potrebna ista brzina prijenosa cijelo vrijeme?
  • Je li potrebno snimanje/promatranje cijelo vrijeme, ili samo u slučaju kretanja/događanja?
  • Koliko dugo video prikaz mora biti memoriran?
  • Kakvo je rješenje potrebno?
  • Kakva je kvaliteta slike potrebna?
  • Kolika je razina latencije (ukupno vrijeme kodiranja i dekodiranja) prihvatljiva?
  • Koliko čvrst/siguran mora biti sustav?
  • Kolika je raspoloživa širina frekvencijskog pojasa mreže?

    Kako budemo pokušavali odgovoriti je li jedan standard kompresije primjenjiv na sve mrežne video aplikacije, ovdje ćemo ukratko navesti i pozadinu različitih tehnika kompresije.

    Objašnjenje mrežnog video sustava

    Prije nego što istražimo pitanje o tome koja metoda kompresije najbolje odgovara određenoj aplikaciji, potreban je kratak obilazak kako bismo shvatili postupak digitalnog snimanja i pohranjivanja. U mrežnom video sustavu postoje višestruki postupci kompresije. Usredotočit ćemo se na samo nekoliko njih koji su najbitniji.

  • Kodiranje: Postupak koji se provodi u mrežnoj kameri ili video serveru, koji kodira (digitalizira i kompresira) analogni video signal tako da se može prenositi preko mreže.
  • IP-prijenos: Prijenos preko mreže koja se bazira na IP protokolu, gdje podaci putuju žicom ili zrakom (bežično) od izvora do različitih hardvera za snimanje i/ili promatranje (npr. PC računalo).
  • Snimanje: Prebacivanje podataka na standardne tvrde diskove koji su ugrađeni u sam video server ili na neki NAS (server spojen na mrežu – eng. Network Attached Server)

  • Dekodiranje: Kodiran video signal sada se mora prevesti, ili dekodirati, kako bi se mogao vidjeti/ promatrati. Ovaj se postupak vrši na PC-u ili na nekom drugom sustavu za dekodiranje koji se koristi za gledanje video prikaza.

    Početne upute za kompresiju

    Kad se obična analogna video sekvenca digitalizira prema PAL standardu za to je potrebno i do 240 Mbit/s ( oko 30 Mb informacije za jednu sekundu video prikaza). Budući da je većina mreža samo 100 Mbit-na, nije praktično niti poželjno prenositi video sekvence bez nekih izmjena. Kako bi se svladao ovaj problem, razvijen je niz tehnika– nazvan slikovne i video kompresijske tehnike– kako bi se smanjila velika brzina prijenosa u bitovima potrebna za prijenos i pohranjivanje.

    Digitalna video kompresija

    Kompresija slike primjenjuje se na pojedinačnu sliku koristeći sličnosti između susjednih piksela na slici i ograničenja ljudskog vizualnog sustava. JPEG je primjer takve tehnike kompresije slike. Video kompresija primjenjuje se na niz uzastopnih slika u video toku, koristeći sličnosti između susjednih slika. Jedan primjer takve tehnike video kompresije je MPEG. Učinkovitost tehnike kompresije slike prikazuje omjer kompresije, izračunat kao veličina datoteke originalne (nekompresirane) slike podijeljena veličinom datoteke proizlazeće (kompresirane) slike. Kod višeg omjera kompresije, koristi se manja širina frekvencijskog pojasa kod određene učestalosti okvira ( frame rate ). Ili, ako širina frekvencijskog pojasa ostaje ista učestalost okvira se povećava.

    Istovremeno, viši omjer kompresije rezultira slabijom kvalitetom slike za svaku pojedinačnu sliku. Financijski proračun na osnovi složenosti kompresije: što je korištena tehnika kompresije sofisticiranija, to je sustav složeniji i skuplji. Za ono što spremite na širinu frekvencijskog pojasa i pohranu, plaćate sistemskom složenosti, latencijom i troškovima dekodiranja. U obzir se moraju uzeti uvjeti licenciranja i naknade koji su povezane s nekoliko standarda kompresije. Ovi čimbenici općenito ograničavaju sofisticiranu kompresiju u smislu održavanja sustava stabilnim te istovremeno ostvarujući i/ili održavajući troškove sustava niskim.

    Kompresija slike – JPEG

    JPEG, dobro poznata metoda kompresije slike, originalno standardizirana sredinom 1980-tih postupkom kojeg je pokrenula Udružena skupina stručnjaka za fotografiju (eng. Joint Photographic Experts Group). JPEG kompresija može se napraviti na različitim korisnički definiranim razinama kompresije, koje određuju koliko se neka slika mora kompresirati. Odabrana razina kompresije izravno je povezana s traženom kvalitetom slike. Osim razine kompresije, i sama pozadine slike utječe na konačni omjer kompresije. Dok bijeli zid, na primjer, može proizvesti relativno malu datoteku slike (i viši omjer kompresije), ista će razina kompresije primijenjena na složenu pozadinu s uzorkom proizvesti veću datoteku s nižim omjerom kompresije.

    Video kao sekvenca JPEG slika – Motion JPEG (M-JPEG)

    Slično digitalnoj still picture kameri, mrežna kamera hvata pojedinačne slike te ih kompresira u JPEG format. Mrežna kamera može hvatati i kompresirati, na primjer, 30 takvih pojedinačnih slika po sekundi (30 fps NTSC ili 25 fps PAL ), te ih zatim učiniti dostupnim kao neprekinut tok slika preko mreže do stanice za prikazivanje. Kod učestalosti okvira od 16 fps i više, gledatelj će dobiti video prikaz bez pauza među slikama, tj. stvaran video prikaz. Ovu metodu nazivamo Motion JPEG ili M-JPEG. Budući da je svaka pojedinačna slika cjelovita JPEG kompresirana slika, te će slike imati istu zajamčenu kvalitetu koju određuje razina kompresije koja je definirana za tu mrežnu kameru ili mrežni video server.

    Video kompresija – MPEG

    Jedna od najpoznatijih audio i video streaming tehnika je standard nazvan MPEG (pokrenula ga Skupina stručnjaka za pokretne slike - eng. Motion Picture Experts Group u kasnim 1980-tim). Ovaj se izvještaj usredotočuje na video dio MPEG video standarda. Jednostavno objašnjeno, osnovni princip MPEG-a je usporediti dvije kompresirane slike koje se prebacuju preko mreže, koristeći prvu kompresiranu sliku kao referentni okvir (nazvan I-okvir - eng. I-frame), odašiljajući samo dijelove sljedećih slika (B- i P-okviri) koje se razlikuju od referentne slike. Mrežna stanica za prikazivanje će tada rekonstruirati sve slike koje se temelje na referentnoj slici i “podacima o razlici između slika” koje se nalaze u B- iPokvirima. Tipična sekvenca I-, B-, i P-okvira može izgledati kako je prikazano na skici. Po cijeni veće složenosti, rezultat primjene MPEG video kompresije je da je količina prebačenih podatka preko mreže manja nego količina prebačenih podataka Motion JPEG-a.

    To je prikazano na slici, gdje se prenosi samo informacija o razlikama između drugog i trećeg okvira. MPEG je ustvari puno složeniji nego što je ranije prikazano, a parametri kao što je predviđanje kretanja na mjestu ili identifikacija objekata predstavljaju dodatne tehnike ili alate koji se koriste u sklopu MPEG-a. Osim toga, različite aplikacije mogu koristiti različite alate, na primjer uspoređivanje aplikacije nadgledanja u stvarnom vremenu s animiranim filmom. Postoji niz različitih MPEG standarda, MPEG-1, MPEG-2 i MPEG-4, koje ćemo predstaviti dalje u tekstu.

    MPEG-1

    MPEG-1 standard objavljen je 1993. godine s ciljnom aplikacijom pohranjivanja digitalnog videa na CD-e. Dakle, većina je MPEG 1 kodera i dekodera napravljena za ciljnu brzinu prijenosa u bitovima od otprilike 1.5Mbit/s na CIF rezoluciji. Kod MPEG-1, usredotočenost je na održavanju brzine prijenosa u bitovima relativno stalnom na štetu promjenljive kvalitete i slike, koja je tipično usporediva s VHS video kvalitetom. Učestalost okvira u MPEG-1 ograničena je na 25 (PAL)/30 (NTSC) fps.

    MPEG-2

    MPEG-2 je kao standard odobren 1994. godine te napravljen za visoko kvalitetan digitalni video (DVD), digitalnu televiziju visoke rezolucije (HDTV), interaktivni mediji za pohranjivanje (ISM), digitalni prijenosni video (DBV), i kablovsku TV (CATV). MPEG-2 projekt se usredotočio na proširivanje tehnike MPEG-1 kompresije kako bi se obuhvatile veće slike i veća kvaliteta po cijenu manjeg omjera kompresije i veće brzine prijenosa u bitovima. MPEG-2 omogućava i dodatne alate za povećanje video kvalitete na istoj brzini prijenosa u bitovima; stvarajući na taj način vrlo visoku kvalitetu slike u usporedbi s ostalim tehnologijama kompresije. Učestalost okvira ograničena je na 25 (PAL)/30 (NTSC) fps, kao i kod MPEG-1.

    MPEG-4

    Kao glavna prednost u usporedbi s MPEG-2, MPEG-4 sadržava puno više alata za smanjenje brzine prijenosa u bitovima koja je potrebna za ostvarivanje određene kvalitete slike kod određene aplikacije ili pozadine slike. Nadalje, učestalost okvira nije zaključana na 25/30 okvira po sekundi. No ovdje je bitno primijetiti da je većina alata koji se koriste za smanjivanje brzine prijenosa u količini bitova danas važno samo za aplikacije nestvarnog vremena.

    To je zato što neki od novih alata trebaju toliku obradnu snagu tako da ih kodiranje i dekodiranje (tj. latencija) čini nepraktičnim za aplikacije osim ako se ne radi o kodiranju studijskog filma, kodiranju animiranog filma, i sl. Zapravo, većina alata u MPEG-4 koji se mogu koristiti u aplikaciji stvarnog vremena (eng. real time application) isti su oni alati koji su dostupni u MPEG-1 i MPEG-2. Druga prednost MPEG-4 veći je broj profila i razina profila (objašnjeno niže u tekstu) koji obuhvaćaju veći raspon aplikacija, sve od niskog široko-pojasnog streaminga do mobilnih uređaja, pa do aplikacija s izvanredno visoko kvalitetnim i gotovo neograničenim široko-pojasnim zahtjevima. Snimanje studijskih filmova jedan je takav primjer.

    MPEG-4 profili

    Na jednom se kraju sustava odvija kodiranje slika iz kamere u MPEG streaming format. Na drugom se kraju sustava MPEG tok očito treba dekodirati i prikazati kao video prikaz. Zbog velikog broja tehnika (alata) dostupnih u MPEG-u (naročito u MPEG-4-u) za smanjivanje brzine prijenosa u bitovima te zbog promjenljive složenosti tih alata i činjenice da se svi alati ne mogu primijeniti na sve aplikacije, bilo bi nerealno i nepotrebno naznačiti da bi svi MPEG koderi i dekoderi trebali podupirati sve dostupne alate.

    Zato su definirani podskupovi tih alata za različite formate slike i ciljne brzine prijenosa u bitovima. Postoji niz različitih podskupova koji su definirani za svaku od MPEG verzija. Takav se podskup alata naziva MPEG profil. Određeni MPEG profil točno određuje koje će alate MPEG dekoder podržavati. Zapravo, zahtjevi su u dekoderu, a koder ne mora koristiti sve dostupne alate. Nadalje, svaki profil postoji na različitim razinama. Razina određuje parametre kao što su maksimalna brzina prijenosa u bitovima te podržane rezolucije. Određivanjem MPEG profila i razine, moguće je napraviti sustav koji koristi samo alate u MPEG-u koji su primjenljivi na ciljnu aplikaciju.

    MPEG-4 sadrži niz različitih profila. Među njima se u sigurnosnim aplikacijama normalno koriste Jednostavan profil (eng. Simple Profile) i Poboljšan jednostavan profil (eng. Advanced Simple Profile). Iako većinu alata koriste oba profila, postoje neke razlike. Bitna razlika između ta dva profila je podržan raspon rezolucija i brzina prijenosa u bitovima, koji su određeni razinom. Dok Jednostavan profil doseže CIF rezoluciju i 384 kbit/s (na L3 razini), Poboljšan jednostavan profil doseže 4CIF rezoluciju i 8000 kbit/s (na L5 razini).

    MPEG-4 kratko zaglavlje (eng. Short header) i dugo zaglavlje (eng. Long header)

    Neki mrežni video streaming sustavi određuju podršku za “MPEG-4 kratko zaglavlje,” pa je važno razumjeti ovaj izraz. Ustvari se ne radi o ničem drugome nego o H.263 video toku koji je uklopljen u MPEG-4 zaglavlja video toka. MPEG-4 kratko zaglavlje ne iskorištava niti jedan od dodatnih alata određenih u MPEG-4 standardu. MPEG-4 kratko zaglavlje određeno je samo zato kako bi se omogućila kompatibilnost unatrag s H.263 preporukom za vođenje videokonferencije preko ISDN-a i LAN-a.

    Zbog praktičnosti je MPEG-4 kratko zaglavlje identično s H.263 kodiranjem/dekodiranjem, što smanjuje razinu kvalitete i kod MPEG-2 i kod MPEG-4 pri određenoj brzini prijenosa u bitovima. Slikovna i video kvaliteta u “kratkom zaglavlju” nije ista kao kvaliteta pravog MPEG-4, budući da ne koristi tehnike koje mu omogućavaju filtriranje informacija o slici koje nisu vidljive ljudskom oku. Niti koristi metode kao što su DC i AC predviđanje, koje mogu znatno smanjiti široko-pojasne zahtjeve. Za pojednostavljenje mrežne video streaming sistemske specifikacije, podrška za MPEG- 4 ponekad se označava kao “MPEG-4 dugo zaglavlje,” što drugim riječima označava način kada se koriste alati za kompresiju MPEG-4.

    MPEG-4 part 10

    MPEG-4 part 10, koji se naziva i H.264, još je jedna prednost gdje MPEG ima potpuno novi skup alata koji dodaju naprednije tehnike kompresije kako bi se još više smanjila brzina prijenosa u bitovima kod određene kvalitete slike. Veća složenost povećava i zahtjeve izvedbe i trošak mrežnog video streaming sustava, naročito za koder.

    Stalna brzina prijenosa u bitovima (eng.Constant bit-rate - CBR) i Promjenjivabrzina prijenosa u bitovima (eng. Variablebit-Rate - VBR)

    Još jedna bitna značajka MPEG-a je način brzine prijenosa u bitovima koji se koristi. U većini MPEG sustava, moguće je izvršiti odabir ako se brzina prijenosa u bitovima vrši u CBR načinu ili VBR načinu. Optimalni odabir ovisi o aplikaciji i dostupnoj mrežnoj infrastrukturi. Ako je dostupna samo ograničena širina frekvencijskog pojasa, preferirani je način obično CBR, budući da taj način stvara stalnu i unaprijed definiranu brzinu prijenosa u bitovima.

    Nedostatak je taj što se kvaliteta slike mijenja te će ostati relativno visoka kad nema kretanja u pozadini slike, dok se kvaliteta znatno smanjuje s povećanim kretanjem. S druge strane, VBR način će zadržati visoku kvalitetu slike, ako je tako definirano, bez obzira na to postoji li ili ne kretanje u pozadini slike. To je često poželjno kod aplikacija za sigurnost i nadgledanje kad je visoka kvaliteta potrebna, naročito ako na slici nema kretanja. Budući da brzina prijenosa bitova kod VBR-a može varirati, čak i kad je ciljna brzina prijenosa u bitova definirana, mrežna infrastruktu(dostupna širina frekvencijskog pojasa) za takav sustav mora imati taj kapacitet.

    Pozicioniranje MPEG-1, MPEG-2, i MPEG-4

    Slika prikazuje puno širi raspon MPEG-4 povezan s MPEG-1 i MPEG-2, koji su razvijeni za specifične aplikacije. Dok je MPEG-1 razvijen za digitalni video prikaz na CD-ROMu, kod razvoja MPEG-2 pažnja je usmjerena na DVD i televiziju visoke rezolucije. MPEG-4, s druge strane, nema takve aplikacije s određenim ciljem te može biti prikladan za korištenje od studija pa sve do aplikacija mobilnih telefona.

    Prednosti i nedostaci M-JPEG-a

    Zbog njegove jednostavnosti, M-JPEG je dobar zbor za korištenje u mnogim aplikacijama. JPEG je često po defaultu naširoko dostupan standard u mnogim sustavima. To je jednostavna tehnika kompresije/ dekompresije, što znači da se trošak, koji se odnosi i na vrijeme i novac za kodiranje i dekodiranje , održava niskim. Aspekt vremena znači da postoji ograničeno kašnjenje između hvatanja slike u kameri, kodiranja, prebacivanja preko mreže, dekodiranja i konačno pokazivanja na stanici za prikazivanje.

    Drugim riječima, M-JPEG omogućava kratku latenciju zbog svoje jednostavnosti (kompresija slike i potpune pojedinačne slike), te je zbog toga koristan i kad se treba izvršiti obrada slike, za na primjer detekciju kretanja u polju kamere. Sve rezolucije slika, od veličine prikaza na mobilnom telefonu do prirodne veličine video (4CIF) slike, dostupne su u M-JPEGu.

    Daje i garantiranu kvalitetu slike bez obzira na kretanje ili složenost pozadina na slici. Nudi mogućnost odabira veće kvalitete slike (niska kompresija) ili manje kvalitete slike (visoka kompresija) s prednošću manje veličine datoteke slike, što omogućuje manju brzinu prijenosa u bitovima i korištenje manje širine frekvencijskog pojasa. Uisto vrijeme, učestalost se okvira može jednostavno kontrolirati, što pruža mogućnost ograničavanja korištenja širine frekvencijskog pojasa smanjivanjem učestalost okvira, ali zadržavajući garantiranu kvalitetu slike.

    Budući da M-JPEG ne koristi tehniku video kompresije, stvara relativno veliku količinu podataka o slici koji se šalju preko mreže. Iz tog razloga, za neku određenu razinu kompresije slike (definirajući kvalitetu slike I-okvira i JPEG slike posebno), učestalost okvira i pozadinu slike, količina podataka je manja po vremenskoj jedinici poslanoj preko mreže (brzina prijenosa u bitovima) za MPEG u usporedbi s M-JPEG, osim kod niske učestalosti okvira kako je opisano niže u tekstu.

    Sljedeća rečenica jasno sažima prednost MPEG-a: omogućavanje relativno visoke kvalitete slike kod male brzine prijenosa u bitovima (korištenje širine frekvencijskog pojasa). To može biti naročito važno ako je dostupna širina frekvencijskog pojasa mreže ograničena, ili ako se video prikaz mora pohraniti (snimiti) kod visoke učestalosti okvira te ako postoje prostorna ograničenja za pohranjivanje. Međutim, zbog zahtjeva za nižom širinom frekvencijskog pojasa povećava se složenost kodiranja i dekodiranja, što naizmjence pridonosi većoj latentnosti u usporedbi s M-JPEG-om.

    Još se jedna stvar mora imati na umu:

    i MPEG-2 i MPEG-4 podložni su plaćanju naknada za licencu. Grafikon ( GRAF 1 ) u principu prikazuje kako se korištenje širine frekvencijskog pojasa između M-JPEG-a i MPEG-4-a uspoređuje kod određene pozadine slike s kretanjem. Kao što se vidi, kod manjih učestalosti okvira, gdje MPEG-4 kompresija ne može u velikoj mjeri iskoristiti sličnosti između susjednih okvira, te zbog viška kojeg stvori MPEG-4 streaming format, potrošnja širine frekvencijskog pojasa je ustvari veća od M-JPEG-a.

    M-JPEG - za i protiv

  • Postupna degradacija: ako je širina frekvencijskog pojasa smanjena, kvaliteta slike se zadržava po cijeni manje učestalosti okvira ( manji frame rate ).
  • Nepromjenjiva kvaliteta slike: kvaliteta ostaje nepromjenjiva bez obzira na složenost slike
  • Interoperabilnost: standardna kompresija/ dekompresija dostupna na svim PC-ima
  • Neznatna složenost: jeftino kodiranje i dekodiranje. Brže i jednostavnije pretraživanje sadržaja i manipuliranje slikom
  • Manja potreba za izračunavanjem: mnogi se kanali mogu dekodirati i prikazati na monitoru PC-a
  • Niska latencija: kodiranje i dekodiranje relativno jednostavno, a proizlazeća niska

  • Materijali