Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии

MPEG-2

MPEG-2 представляет собой не следующее поколение MPEG-1, а скорее другой стандарт, нацеленный на более высокое качество передачи и записи цифровых движущихся изображений и звука. Он был предложен группой MPEG в 1993 и получил, как и MPEG-1, престижную награду Emmy.

Стандарт MPEG-2 определяет форматы кодирования для уплотнения цифрового видео высокого качества, звука и других данных в подходящий для передачи или хранения формат.

Так, MPEG-2, подобно MPEG-1, не ограничивает свои возможности только видео, но также работает с аудиопотоками. Здесь опять следует подчеркнуть, что MPEG-2 является не схемой или техникой сжатия (как многие полагают), а скорее стандартизацией управления и обработки цифровых данных самым быстрым, оптимальным способом. Кодирование MPEG-2 может генерировать скорости передачи данных значительно выше 18 Мбит/с, хотя при применении MPEG-2 на практике в видеонаблюдении вы вряд ли заметите особую разницу между аналоговым видеосигналом и тем же видеопотоком размером 4 Мбит/с, сжатым MPEG-2.

Стандарт MPEG-2 разрабатывался для широкого круга применения, поэтому он позволяет использовать видеопотоки различного размера, качества и разрешения. В MPEG-2 определено 4 профиля и 4 уровня для обеспечения взаимодействия в разных сферах применения. В профиле указано цветовое разрешение и размер видеопотока. Уровни определяют минимальное и максимальное разрешение изображения, частоту дискретизации яркостного (Y) сигнала, количество видео- и аудиослоев, поддерживаемых в масштабируемых профилях и максимальную скорость передачи данных для профиля.

Представляя собой совместимое расширение, видеостандарт MPEG-2 основывается на MPEG-1, поддерживая видеоформаты чересстрочного разложения и некоторые другие дополнительные свойства.

Формат MPEG-2 используется в вещательном телевидении сервисными службами, такими, как DBS (Direct Broadcast Satellite — спутник прямого вещания), CATV ( CAble Television — кабельное телевидение) и, что наиболее важно, HDTV (цифровое телевидение высокой четкости). Кроме того, формат DVD (который был стандартизирован в период между двумя изданиями этой книги) использует кодирование MPEG-2 для видео- и аудиозаписей высокого качества. Благодаря сжатию MPEG-2 однослойный и односторонний цифровой видеодиск DVD имеет достаточно емкости, чтобы хранить два часа и 13 минут видео высокого качества, объемного звука и субтитров.

MPEG-2, как и MPEG-1, основывается на группах изображений, которые состоят из I-, Р- и В-кадров. 1-кадр является опорным с внутрикадровым кодированием (intracoded), то есть он может быть декодирован без обращения к данным других кадров. Р-кадры для декодирования потребуют предшествующий l-кадр или Р-кадр, В-кадры потребуют уже предшествующий и последующий кадр (l-кадр или Р-кадр). Поэтому Р-кадры и В-кадры являются промежуточными кадрами с межкадровым кодированием ( intercoded ).

Работа алгоритмов предсказания движения основывается на векторах движения. Для простоты представим, что в l-кадре имеется круг на белом фоне. В следующем Р-кадре имеется такой же круг, но уже смещенный в другую позицию. Предсказание движения означает, что должен быть вычислен вектор движения этого объекта, который описывает, каким образом двигается наш круг со своей позиции на l-кадре в позицию на Р-кадре. Этот вектор движения является частью потока MPEG-2 и разделен на горизонтальную и вертикальную часть. Эти части могут быть как отрицательными, так и положительными. Положительное значение показывает, что движение происходит слева направо или соответственно сверху вниз.

Отрицательное значение показывает, что движение происходит справа налево или снизу вверх. Впрочем, такая модель подразумевает, что разница между кадрами может быть выражена как простое перемещение пикселов. В потоке MPEG имеется матрица ошибок предсказания, которая позволяет более точно восстанавливать движение.

Рис. 9.41. Векторы движения используются для предсказания смещения объектов между I- и Р-кадрами

Когда только начинался переход к цифровым методам записи в видеонаблюдении (а это было совсем недавно, всего 5–6 лет назад), лишь очень немногие разработчики цифровых видеорегистраторов использовали стандарт MPEG-2. Сейчас ситуация изменилась, и многие уже увидели преимущества качественной цифровой записи видео и другие достоинства MPEG-2, с успехом нашедшие применение в видеонаблюдении — например, обратное воспроизведение архива, замедленное воспроизведение архива в прямом и обратном направлении, высокоскоростное воспроизведение архива (скорость может быть увеличена вплоть до 1024-кратной) и даже детектирование движения.

Очевидно, что MPEG-2 не предназначен для работы в режиме мультиплексированной записи, так как зависимость в потоке между кадрами нарушается, и выигрыш от межкадрового сжатия нивелируется. Поэтому цифровые видеорегистраторы со сжатием MPEG-2 обычно записывают видеопотоки от одной телекамеры на жесткий диск, хотя существуют и модели, которые могут одновременно записывать и несколько (немультиплексированных) видеопотоков на один жесткий диск. Учитывая то, что видеопоток MPEG-2 хорошего качества может достигать, например, 4 Мбит/с, несложно подсчитать, что при современном развитии технологии жестких дисков, один цифровой видеорегистратор сможет записывать всего лишь несколько таких видеопотоков, особенно если мы хотим одновременно просматривать архив.

Хотя сжатие MPEG-2 может быть реализовано программно с помощью достаточно производительных процессоров, для видеонаблюдения всегда предпочтительнее выполнять сжатие аппаратно, что гарантирует кодирование (запись) всех кадров без потерь. Декодирование (воспроизведение) может осуществляться с помощью программных декодеров, которых не так уж и много, поскольку MPEG-2 — это стандарт. Windows Media Player, Apple QuickTime, Real Audio — вот примеры программного обеспечения, которое способно воспроизводить видео MPEG-2. Некоторые цифровые видеорегистраторы, использующие MPEG-2, имеют возможность записи компакт-дисков или DVD с видео MPEG-2, такие диски затем можно просмотреть на бытовом DVD-проигрывателе.

Многие производители цифровых видеорегистраторов высшего класса, помимо аппаратного сжатия и записи, позволяют декодировать сжатое видео и выводить его на отдельный аналоговый монитор и одновременно программно со смещением во времени декодировать запись для просмотра или для архивирования по сети. Возможность одновременного выполнения всех этих операций иногда называют триплексной функцией, но существуют и другие варианты: triplex, quad-plex или penta-plex . В последнем случае имеется в виду, что одновременно могут выполняться до 5 операций: запись, воспроизведение, архивирование на внешние носители, воспроизведение записи по сети и архивирование по сети. Если все эти процессы осуществляются с применением одного жесткого диска (как это обычно и происходит), то он должен иметь соответствующую скорость передачи данных. По этой причине многие производители цифровых видеорегистраторов предпочитают выпускать не многоканальные, а одноканальные устройства с записью MPEG-2.