Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии (1089174), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Впрочем, снизив скорость передачи данных и уменьшив размер структуры GOP (group of pictures), можно добитьсяприемлемой задержки в 200 миллисекунд и даже меньшес незначительным ухудшением качества изображения.Стандарты сжатия видеоизображения, которыеиспользуют низкую скорость передачи данных и предназначены для видеоконференций (то есть предусматривают двустороннюю передачу видеопотоков), такие,как Н.263 и MPEG-4 имеют значительно меньшуюзадержку, хотя качество изображения тоже снижается.За последнее десятилетие технологии обработки исжатия изображения эволюционировали очень быстрои значительно. Хотя в большинстве случаев MPEG-2доминирует в индустрии вещательного телевидения иDVD, не исключено, что новые и более эффективныестандарты сжатия со временем его вытеснят.
К момен-Рис. 9.4. Один и тот же фотоснимок сразличным разрешением: 50x50, 100x100 и200x200 пикселов«CCTVФокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV9. Цифровое видеонаблюдение233у написания этой книги самым новым и наиболее перспективным стандартом сжатия видеоизображеия считался Н.264 (на базе MPEG-4 v.10, также известный как кодек AVC, advanced video codec), aамым новым и перспективным стандартом сжатия изображения был JPEG-2000 (на базе Waveletжатия).
Впрочем, будущее покажет, так ли это на самом деле.еперь перечислим стандарты сжатия, которые используются или могут быть использованы в ближайjeM будущем в видеонаблюдении. Более подробно мы их рассмотрим далее в этой главе.О JPEG и Motion-JPEG (сжатие изображения)О JPEG-2000 /Wavelet и Motion JPEG-2000 (сжатие изображения)О MPEG-1 (сжатие видеоизображения, используется скорость передачи данных 1-3 Мбит/с)О MPEG-2 (сжатие видеоизображения, используется скорость передачи данных 1-30 Мбит/с)О MPEG-4 (сжатие видеоизображения, используется еще меньшая скорость передачи данных 9.6кбит/с-1.5 Мбит/с)О MPEG-7 (новая концепция, имеющая функции интеллектуального поиска объектов)О MPEG-21 (самая новая концепция, обещающая большую степень интеграции возможностейсемейства MPEG)О Н.261 (сжатие видеоизображения, один из первых и самых старых стандартов, предназначен длявидеоконференций, используетСуществуют и другие, гибридные виды сжатия, которыесочетают особенности сжатия изображения и сжатиявидеоизображения.
Например, сжатие типа MotionWavelet или Multi-Layer JPEG и другие собственныеразработки компаний-производителей.Преимущества аппаратной компрессии очевидны: скорость сжатия постоянна и не зависит от загруженностицентрального процессора другими задачами (передача посети, резервное копирование данных и т.д.).Рис. 9.5. Аналого-цифровое преобразование начинается с дискретизации и квантования аналогового видеосигналаВпрочем, общеизвестно, что программная компрессияпозволяет легко и быстро модифицировать устройства записи и добавлять новые функции, так как она зависит только от программного кода, который можно легко обновить.234ITU-601: Объединяя NTSC и PALПрежде чем перейти к обработке или хранению сигнала в цифровом формате, осуществляется его аналогоцифровое преобразование.
Оно может производиться в сетевой телекамере или в цифровом видеорегистраторе. На этом этапе происходит дискретизация и квантование аналогового сигнала (преобразование вдискретную форму). Частота дискретизации и количество уровней квантования зависят от качества и быстродействия электроники и определяют разрешение (качество) оцифрованного изображения и частоту регенерации цифровой кадровой памяти. В данной связи необходимо понимать, что, несмотря на большойвыбор вариантов дискретизации и квантования при аналого-цифровом преобразовании, был разработантелевизионный стандарт оцифровки и большая часть продукции, используемой в видеонаблюдении,соответствует ему.Рекомендация ITU-R BT.601 определяет оцифровку аналогового видеосигнала, состоящего из яркостной компоненты Y красной цветоразностной компоненты и синей цветоразностной компоненты, с базовой частотой дискретизации 3.375 МГц, которая будет общей как для PAL, так и для NTSC.
Яркостнаякомпонента оцифровывается с четырехкратной базовой частотой дискретизации (то есть3.375 х 4 = 13.5 МГц), а цветоразностные компоненты оцифровываются с двукратным увеличением базовой частоты дискретизации (то есть 6.75 МГц). Таким образом, этот формат оцифровки известен как4:2:2. Существуют и другие форматы оцифровки, такие, как 4:1:1 и 4:4:4, но формат 4:2:2 является однимиз наиболее распространенных в видеонаблюдении.Если мы сейчас вспомним количество строк в кадре и количество кадров в секунду для стандарта, то, перемножив 625 строк в кадре на 25 кадров в секунду, получим 15625 строк в секунду. Теперь частоту дискретизации 13.5 МГц (то есть 13500000 раз в секунду) разделим на полученное значение, что даст нам 864 отсчета для каждой строки.
Таково качество дискретизации видеосигнала PAL согласно рекомендациям ITU-601Cчастотой дискретизации 13.5 МГц. Поскольку длительность строки PAL составляет 64 мкс, то 864 отсчета,которые приходятся на строку, разбивают этот период времени на очень малые интервалы (см. рис. 9.6).Следует отметить, что 864 отсчета в строке включают в себя и импульсы синхронизации.Для стандарта NTSC с 525 строками и частотой обновления 59.94 Гц (именно 59.94, а не 60) мы получаем 525 х 29.97 Гц = 15734.25 строк в секунду.
Разделив 13.5 МГц на 15734.25 Гц, получим 858 отсчетов наодну строку, которые опять будут включать в себя импульсы синхронизации.Рис. 9.6. Частота дискретизации, рекомендованная ITU-601«CCTV Фокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV9. Цифровое видеонаблюдение235Рис. 9.7. Дискретизация сигналаИтак, подводя итоги, еще раз отметим, что, согласно рекомендации ITU-601, для дискретизациияркостного сигнала в стандарте PAL используется 864 отсчета на одну строку, а в стандартеNTSC — 858 отсчетов на строку. В обоих случаях используется частота 13.5 МГц.Из изложенных выше фактов следует очень важный вывод: ITU-R BT.601 представляет собой первуюмеждународную рекомендацию, которая пытается объединить в рамках общей цифровой концепции дискретизации два несовместимых аналоговых композитных телевизионных стандарта(NTSC с 525/59.94 и PAL с 625/50).
Основным достижением этой рекомендации стал выборобщей частоты дискретизации 13.5 МГц, которая одинакова для обоих стандартов.Из 864 отсчетов для PAL и 858 отсчетов для NTSC в обоих случаях на активные строки без синхроимпульсов приходится по 720 отсчетов. Это максимальное горизонтальное разрешение видеосигнала,б25;ш-отор:Рис. 9.8. Количество пикселов в кадре, согласно рекомендации ITU-601http://www.
itv. ruITV— генеральный спонсор 2-го издания книги «CCTV. Библия видеонаблюдения»2369. Цифровое видеонаблюдениеCCTVРис. 9.9. Пример испытательной таблицы, оцифрованной согласно рекомендации ITU-601. Обратитевнимание на горизонтальное сжатие для PAL (слева), и как оно пропадает при аналоговом выводе (справа).оцифрованного согласно рекомендации ITU-601. Термин «разрешение» здесь используется в болеешироком значении, чем в аналоговом телевидении, где разрешение выражено в ТВ-линиях, но об этоммы поговорим подробнее далее.Некоторые из вас могут задать вопрос: «Почему именно 720 отсчетов, а не больше или меньше?» Этосвязано с тем, что 720 без остатка делится на 8 (то есть, 23), что очень удобно для большинства стандартов сжатия, использующих дискретное косинусное преобразование (JPEG, MPEG, серия стандартов Н),где изображение разбивается на блоки 8x8 пикселов.Очень часто приходится сталкиваться с такой ситуацией, что цифровое оборудование «отрезает» по 8отсчетов слева и справа активной строки, в которой после этого остается 704 пиксела вместо 720.
Этосделано для того, чтобы более устойчиво обрабатывать нестабильные сигналы от различных телекамер.Вертикальная дискретизация, согласно рекомендации ITU-601, равна количеству активных строк, которых приходится 288 на одно телевизионное поле (или 576 для полного телевизионного кадра) в PAL и 240на одно телевизионное поле (или 480 для полного телевизионного кадра) в NTSC.Таким образом, оцифрованный согласно рекомендации ITU-601 телевизионный кадр имеетформат 720x576 пикселов для PAL и 720x480 пикселов для NTSC.Это показывает, что рекомендация ITU-601 учитывает чересстрочную развертку, что позволяет во многихцифровых видеорегистраторах выбрать режим записи полями или кадрами.Наблюдательный читатель, вероятно, уже заметил в приведенных выше числах некоторое несоответствие, которое иногда сбивает с толку, когда речь идет о цифровом видео.
Эта неточность касается соотношения сторон в телевидении стандартной четкости и в изображениях, получаемых при оцифровкесогласно рекомендации ITU-601. Как мы знаем, все видеомониторы в системах видеонаблюдения имеют соотношение сторон 4:3 = 1.33, но соотношение сторон по рекомендации ITU-601 для кадра PAL будет720:576 =1.25, а для кадра NTSC 720:480 = 1.5. Это приводит к появлению т.н. «неквадратных» пикселовв обоих телевизионных стандартах. В стандарте PAL пикселы сжимаются по горизонтали, и поэтому дляотображения на мониторе с соотношением сторон 4:3 кадр необходимо растянуть.
В стандарте NTSCпикселы необходимо растягивать уже по вертикали перед выводом на монитор, так как они были сжатыпо вертикали. Это растяжение пикселов выполняется на последнем этапе декодирования изображенияперед его отображением. Это может показаться необязательным, но, тем не менее, именно растяжениепикселов позволяет сделать декодирующую электронику более универсальной и дешевой, так как онаиспользуется как для PAL, так и для NTSC.«CCTVФокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV9.
Цифровое видеонаблюдение237Разрешение изображения, оцифрованного согласно рекомендации ITU-601Согласно теории Найквиста, непрерывный аналоговый сигнал может быть реконструирован без потериинформации из отдельных частей, если частота дискретизации не менее чем в два раза выше самойвысокочастотной составляющей спектра сигнала. Когда в сигнале появляются высокочастотные паразитные составляющие, то они приводят к наложению спектров (наподобие муара, эффект алиасинга,aliasing), поэтому они крайне нежелательны. Чтобы избавиться от паразитных высоких частот, сигналнужно пропустить через фильтр низких частот, который отсечет все частоты, выше максимальной, которая равна половине частоты дискретизации.
Идеального фильтра низких частот на практике не существует, поэтому отсекание частот будет происходить немного ниже, чем требуется теорией. Это имеетпрямое отношение к количеству горизонтальных элементов (пикселов), которые сможет обрабатыватьцифровая система.В идеальных условиях, если не производится дополнительная фильтрация сигнала, то, имея частоту Найквиста 6.75 МГц (то есть частота дискретизации составит 13.5 МГц), 720 пикселов в активнойстроке будут эквивалентны горизонтальному разрешению 3/4x720=540 ТВ-линий, как это определено в аналоговом телевидении.Впрочем, рекомендация ITU-601 определяет и отсекание частот до 5.75 МГц за счет работыдополнительного фильтра защиты от наложения спектров (anti-aliasing and reconstruction filter),что уменьшает горизонтальное разрешение аналогового яркостного сигнала до 449 ТВ-линийдля PAL и 455 ТВ-линий для NTSC.Дальнейшее уменьшение разрешения связано уже со сжатием изображения, поэтому мы можемсказать, что на практике ни один оцифрованный видеосигнал в видеонаблюдении не может иметьразрешение выше, чем примерно 450 ТВ-линий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
