نوشته‌ها

فشرده سازی تصویر در دوربین مدار بسته

تکنولوژی های فشرده سازی تصاویر

از زمانی که صنعت سیستم های امنیتی شروع کرد به تغییر شیوه ی ضبط تصاویر از نوار های VHS  به هارد دیسک ها ، این که چگونه تصاویر فشرده سازی و ذخیره شوند، مهمترین سوال کارشناسان بوده است. همچنین از زمانی که سیستم دوربین های مدار بسته آنالوگ و ضبط کننده های دیجیتال DVR  ، رفته رفته جای خود را به دوربین های تحت شبکه IP  و سیستم های ضبط کننده تحت شبکه NVR  دادند ، این سوال که چگونه تصاویر فشرده سازی و ضبط شوند دوباره تکرار شد. وقتی دوربین مدار بسته آنالوگ به دستگاه DVR  متصل است، فشرده سازی در محل مشخصی داخل DVR  انجام می پذیرد. در حالی که در دوربین های IP  فشرده سازی داخل سیستم دوربین انجام می گیرد ، سپس در فرمت فشرده شده به NVR  منتقل می شوند. فشرده سازی بصورت مرکزی در سیستم DVR  موجب می شود که همه دوربین های مدار بسته با یک تکنولوژی فشرده می شوند. از سوی دیگر دوربین های IP  مجاز هستند که بصورت هیبرید عمل کنند و از چندین تکنولوژی  برای فشرده سازی استفاده کنند. و این برای مصرف کنندگان، مجریان و طراحان سیستم مداربسته بسیار مهم است که تکنولوژی های مختلف را در اختیار داشته باشند. دانستن اینکه هر یک در کجا کارایی بیشتری دارند ، در طراحی سیستم بسیار موثر است.

در حال حاضر تکنولوژی های متعددی در این عرصه وجود دارند اما در واقع استاندارد خاصی در این ضمینه تعریف نشده است. هر یک از تولید کنندگان از تکنولوژی های مختلف استفاده می کنند . مجریان سیستم های دوربین مدار بسته هم معمولا با توجه به تعداد روز های مورد نیاز برای ذخیره  تصاویر و حجم هارد دیسک ها، تکنولوژی مورد نیاز خود را انتخاب می کنند ، غافل از اینکه تکنولوژی نا مناسب ضبط می تواند به سیستم نظارت تصویری ضربه بزرگی وارد کند.
به عنوان مثال تکنولوژی ضبط تصاویر می تواند تاثیر زیادی بر انتخاب سخت افزار پروژه ، سیستم انتقال تصویر و البته سرعت و موفقیت در بازبینی و پیگیرد داشته باشد.

تکنولوژی فشرده سازی Frame-by-Frame  و   Inter-Frame

این دو گروه بزرگ تکنولوژی هم اکنون در سیستم های دوربین مداربسته مورد استفاده قرار می گیرند و هر یک شامل فرمت های مختلف می شوند و در مقام مقایسه هر یک مزایای خود را دارند.

فشرده سازی Frame-by-Frame

تکنولوژی Frame-by-Frame  یا Intra-Frame  تصاویر ویدیویی را با الگوریتمی بصورت فریم های که با یک دوربین عکاسی گرفته شده اند فشرده می کند و در نهایت شما مجموعه ای از عکس های مجزا بصورت سری در اختیار دارید. تصاویری که با تکنولوژی Frame-by-Frame   فشرده شده اند، مزایای زیادی نسب به تکنولوژی   Inter-Frame  دارند که در ادامه شرح می شود. نخست اینکه تصاویر فشرده شده بصورت  Frame-by-Frame  مجموعه ای از عکس ها هستند که به فریم (عکس) های دیگر وابسته نیستند و می توانند بسیار سریعتر فشرده شوند و ارسال شوند. ثانیاً بدلیل اینکه هر فریم بصورت مجزا قابل دسترسی می باشد و به صورت مجموعه فریم در نیامده است، تصاویر ضبط شده به  شکل سریعتری قابل دسترسی هستند. دسترسی سریع باعث کارایی بهتر در باز بینی تصاویر می شوند و کار پیگرد قانونی را آسانتر می کند.  در اکثر مواردی که بحث نظارت تصویری اهمیت بالایی دارد، ارائه تصاویر ویدیویی مستقل از هم باعث می شود که برای ارائه مدرک معتبر دیگر نیاز به ارائه کلیه تصاویر فشرده شده نباشد.
در اینجا به شرح دو نمونه  اصلی از تکنولوژی فریم به فریم که در نظارت تصویری مورد استفاده قرار می گیرد می پردازیم.

JPEG

گسترده ترین سیستم فشرده سازی در عکس های دوربین های عکاسی و تصاویر موجود در اینترنت JPEG  می باشد. Joint Photographic Experts Group    عبارت اصلی این کلمه است و در سال ۱۹۹۲ ابداع شد. این تکنولوژی بر پایه تکنیک تبدیل مجزای کسینوسی که در واقع مجموعه ای از پیکسل ها را ( معمولا ۸*۸) در کنار هم قرار می دهند انجام می شود و  حجم فایل کاهش می یابد. این سیتم تبدیل بلوکی گاهی اوقات جزئیات تصویر را نمایش نمی دهد.

JPEG2000

از سال ۲۰۰۰ که این تکنولوژی متولد شد، در صنعت بسیار مورد استفاده قرار گرفت. به عنوان مثال در سینما های دیجیتال ، تصاویر تشخیص پزشکی، آرشیو اسناد و در برداشت و انتقال تصاویر از طریق ماهواره ها و سایر تجهیزات نظامی مورد استفاده قرار می گیرد.
تکنولوژی JPEG2000  برای حفظ بیشتر جزئیات و مدارک در عکس در زمانی که سایز عکس کوچک می شود ابداع شد. این تکنولوژی به عنوان یک تکنولوژی wavelet-based   اجازه فشرده سازی بیشتر بدون مصنوعی شدن شکل عکس را می دهد. این تکنولوژی می تواند تصاویری با ۳۰ درصد حجم کمتر و پهنای باند کمتر نسبت به JPEG   با کیفیت تصویر یکسان را ارائه دهد و همچنین ویژگی های بهتری در انتقال تصاویر دارد. دو ویژگی مهم در انتقال تصاویر در فشرده سازی JPEG2000  توانایی آن در تصویر برداری با محدوده دینامیکی وسیع WDR  است و توانایی  آن در تبدیل به رزولوشن بالاتر است. محدوده دینامیکی Dynamic  range  یک مساله بسیار مهم در نظارت تصویری است بدلیل اینکه بستر دوربین ها با تغییرات زیاد در روشنایی و تاریکی تصویر مشکلات بسیاری دارند. توانایی WDR  به بیت های تکنولوژی مربوط است. بیشتر تکنولوژی ها ۸ بیت از محدوده دینامیکی را عکس برداری میکنند و این به این معناست که می توانند ۲۵۶ شدت مختلف نور را در تصویر نمایش دهند. سنسور های موجود در دوربین های مخصوص نظارت تصویری اغلب می توانند شدت نور هایی بیشتر از محدوده ۲۵۶ مورد را تصویر برداری کنند و تصاویری با اطلاعات بیشتر از چشم انسان را حتی نمایش دهند. JPEG2000  برای حفظ اطلاعات بیشتر ی که توسط سنسور ها ارائه می شوند و نگهداری آنها در زمان فشرده سازی طراحی شده است.

فشرده سازی   Inter-Frame

تکنولوژی Inter-Frame   در سیستم های دوربین مداربسته بر پایه ی فشرده سازی اطلاعات یک فریم و تغییرات فریم های بعد نسبت به فریم قبل عمل می کند. نتیجه یک سری از ویدئو هایی متشکل از چندین فریم است به جای یک سری از فریم های مجزا.  در واقع یک تکنولوژی Inter-Frame  سعی بر این دارد که تغییرات تدریجی فریم ها در یک بازه ی زمانی را ذخیره کند. گرچه این تکنولوژی نیاز به پهنای باند کمتری دارد، ممکن است باعث از دست دادن برخی اطلاعات شود که در فریم های ضبط نشده قرار داشته اند. تکنولوژی هایی که بر اساس Inter-Frame  ضبط تصاویر را انجام می دهند، معمولا به عنوان تکنولوژی های مبتنی بر زمان معرفی می شوند زیرا آنها بر اساس توسعه اطلاعات کار می کنند.
دو تکنولوژی مهم در این مجموعه ، تکنولوژی های MPEG-4  و H.264  می باشد.

MPEG-4

تکنولوژی فشرده سازی MPEG-4  یک عنوان گسترده است که به تمام گروه هایی که بر پایه گروه تصاویر متحرک (Moving Picture Experts Group  ) کار فشرده سازی را انجام می دهند اتلاق می شود. عمده ی سیستم های نظارت تصویری بر اساس تکنولوژی نوع دوم MPEG-4  کار می کنند که در سال ۱۹۹۹ ابداع شد. به هر حال تکنولوژی هایMPEG-4  مختلفی وجود دارند و تعداد کمی مشابه هم هستند.
تکنولوژی MPEG-4  از لحاظ کاهش حجم تصاویر تا حد زیادی مشابه JPEG  عمل می کند اما به جای عکس های متفاوت ،فریم های متفاوتی در غالب ویدئو group of pictures  (GOP )  انکود می کند.
یک GOP  شامل سه فریم متفاوت می شود: فریم I  ، P و B  . فریم اولیه I (Intra   Frame ) یک عکس کاملا  انکود  شده همانند تکنولوژی های JPEG  و JPEG2000  است. فریم پیش بینی شده P (Predicted Frame  )  با توجه به فریم قبلی انکود می شود که می تواند یک فریم جدید و یا همان فریم اولیه باشد. فریم دو جهته B  (Bidirectional Frame ) که بین دو فریم I و P  قرار می گیرد و شامل اطلاعات تغییرات بین دو فریم قبل و بعدی خود می باشد.
معمولا تکنولوژی فشرده سازی MPEG-4  محدود به تصاویر با کیفیت VGA  می باشد و برای دوربین های مداربسته با کیفیت بالاتر استفاده نمی شود. همانند JPEG  انواع فشرده سازی MPEG-4  در سیستم های نظارت تصویری محدود به دامنه دینامیکی ۸ بیتی هستند . بنابراین اگر دوربین قابلیت WDR  داشته باشد ، استفاده از این تکنولوژی ها مناسب نمی باشد.

H.264

تکنولوژی فشرده سازی H.264  جدیدترین تکنولوژی در سیستم های دوربین مداربسته می باشد. این تکنولوژی در واقع نوع تغییر یافته MPEG-4  است که به عنوان MPEG-4  نوع دهم  شناخته می شود که بر پایه کد کردن پیشرفته Advanced Video Coding  (AVC ) بنا شده است. این تکنولوژی در واقع از همان مفاهیم فریم های I,P,B  استفاده می کند، ولی متکی بر تکنولوژی های کدینگ پیشرفته تری می باشد. H.246  اجازه می دهد فریم هایی بین فریم های I   در یک GOP  قرار گیرند تا  تحرک نسبی اطلاعات از فریم مبنا را توصیف کنند و بعلاوه اطلاعات مورد نیاز برای نمایش ویدئو را کاهش دهند.
ویژگی دیگر H.264  که باعث تمایز آن نسبت به MPEG-4  شده است وجود فیلتر های de-blocking  است. این فیلتر ها می توانند اجزای مصنوعی ایجاد شده در تصویر حین فشرده سازی را اصلاح کرده و از میان ببرد. این ویژگی به سیستم ها این اجازه را می دهد که با درجه بالاتری کار فشرده سازی را انجام دهند در حالی که جزئیات تصاویر اصلاح می شود.