کدک های هوشمند تحول بنیادین در دوربین های مداربسته

کدک های هوشمند امروزه به جریان اصلی مبدل شده اند. در حالی که زمانی این عبارت شعار بازاریابی تلقی می شد، اما اکنون اکثریت قریب به اتفاق تولید کنندگان، حداقل روی برخی از دوربین هایشان، کدک های هوشمند را ارائه می کنند.

نام های استفاده شده برای بازاریابی متغیر هستند. از آن جمله می توان به زیپ استریم (Zip Stream)، اسمارت کدینگ (Smart Coding)، H.264+ و اسمارت استریم Smart Stream II ویوتک اشاره نمود. نکته ی بسیار مهم این که این پیاده سازی ها و صرفه جویی پهنای باند توسط آن ها تفاوت چشم گیری با هم دارند. در این مطلب توضیح می دهیم که کدک های هوشمند قصد دارند چه کاری انجام دهند و رایج ترین پیاده سازی ها را معرفی خواهیم کرد.

در نوشته ” کدک های هوشمند تحول بنیادین در دوربین های مداربسته” به مطالب زیر خواهیم پرداخت:

• تکنیک های فشرده سازی ایستا، بازه ی I فریم و فریم ریت.
• اساس کدک هوشمند.
• فشرده سازی پویا.
• بازه ی پویای I فریم یا GOP .
• فریم ریت یا فریم ریت پویا.
• مناطق فشرده سازی ایستا.
• DNR هوشمند.
• سازگاری با VMS (سیستم مدیریت ویدئویی یا نرم افزار دوربین مداربسته) و NVR .
• پشتیبانی تولید کننده.
• توصیه های حاصل از آزمایش ها.
• ریسک های مرتبط با پهنای باند دوربین مداربسته.
• دور نمای کدک هوشمند.

بررسی کدک های معمولی

بر خلاف کدک های هوشمند در کدک های معمولی، سه پارامتر کلیدی معمولا روی مقادیر ثابت تنظیم می شوند. این سه پارامتر مشتمل بر موارد زیر هستند:

1. سطح فشرده سازی (که گاهی کیفیت یا کوانتیزاسیون نامیده می شود).
2. بازه ی I فریم (که گاهی GOP یا GOV نامیده می شود).
3. فریم ریت (FPS یا فریم در ثانیه).

حتی اگر از این موارد آگاهی نداشته باشید، تولید کنندگان در تصمیم های خود برای تعیین مقادیر پیش فرض به آن ها توجه می کنند.

تأثیرات فشرده سازی ثابت

کدک های «معمولی»، بدون در نظر گرفتن آنچه نمایش داده می شود، یک سطح فشرده سازی برای کل استریم ویدئویی تنظیم می کنند. برای مثال، اگر صحنه ی مورد نظر یک راهرو باشد هم افراد متحرک و هم دیوارها، زمین، درب و دیگر بخش های پس زمینه در سطح مشابهی در هر فریم فشرده می شوند.

تأثیرات بازهی ثابت I فریم

تأثیرات بازهی ثابت I فریم اساسی ترین تفاوت بین کدک های امروزی (یعنی H.264 و H.265) و کدک های قدیمی تر، نظیر MJPEG، این است که آن ها یک تصویر مشابه را بارها و بارها ارسال نمی کنند. به جای این کار، یک فریم کامل به نام I فریم ارسال می شود و سپس فقط به روزرسانی های کوچکی از بخش هایی از صحنه که دچار تغییر شده است که به آنها P فریم می گویند، ارسال می گردند.

در کدک های استاندارد، بازهی I فریم ثابت است. این امر به این معنی است که دوربین همیشه یک فریم را به صورت دوره ای (معمولا در بازه ی زمانی یک ثانیه ای) ایجاد خواهد کرد. در این سناریو، اگر فرم ریت استریم ۳۰ فریم در ثانیه باشد، یک فریم ارسال می شود و متعاقب آن ۲۹ P فریم ارسال می گردد، و سپس این عمل تکرار می شود. ایراد بازه ی ثابت I فریم در این است که ممکن است میزان فعالیت در صحنه تغییر کند. گاهی ممکن است یک راهرو برای یک ساعت خالی باشد. در طول این زمان، ارسال یک فریم در هر ثانیه بیهوده است. به یاد داشته باشید که I فریم ها نسبت به P فریم ها پهنای باند به مراتب بیشتری مصرف می کنند، که این مقدار تقریبأ به ده برابر Pفریم می رسد.

اما هنگامی که افراد زیادی در راهرو قدم می زنند، بازه ی I فریم باید کوتاه تر شود تا جزئیات کمتری از دست برود و از بروز سایر مشکلات جلوگیری شود.

تکنیک های کدک های هوشمند

بر خلاف کدک های مرسوم، کدک های هوشمند این پارامترها را با استفاده از ترکیب سه تکنیک به صورت پویا تنظیم می کنند:

1. فشرده سازی پویا: در این روش به جای تغییر در کل فریم، فشردگی در مناطق گوناگونی از صحنه تغییر می کند.
2. بازه ی پویای I فریم: در این روش بازه ی I فریم بسته به میزان حرکت در صحنه تغییر می کند.
3. فریم ریت پویا: در این روش، فریم ریت بسته به میزان حرکت در صحنه تغییر می کند.

در اینجا، به جزئیات این روش ها بیشتر می پردازیم.

1. فشرده سازی پویا

اولین روش در مورد استفاده کدک های هوشمند فشرده سازی پویا است. این روش بر اساس میزان فعالیت، سطح کوانتیزاسیون را برای بخش های مختلف صحنه تنظیم می کند. برای مثال، به جای تنظیم فشرده سازی کل صحنه بر روی «متوسط»، همان گونه که در صحنه ی راهروی مثال بالا نشان داده شد، دوربین مداربسته فشرده سازی را برای سوژه ی متحرک روی «کم» (کیفیت بالاتر) تنظیم می کند. این عمل موجب می شود تا کیفیت ضبط را به حداکثر برساند و فشرده سازی را روی بخش های ایستای پس زمینه افزایش دهد.

با تنظیم سطوح فشرده سازی برای بخش هایی از صحنه، این امکان وجود دارد پهنای باند مصرفی کلی کاهش پیدا کند. همچنین کیفیت تصویر در مناطقی از صحنه، که به واسطه ی تخصیص دهی سطوح فشردگی به بخش های مرتبط صحنه از اهمیت ویژه ای برخوردار شده اند، افزایش یابد.

2. بازه ی پویای I فریم

دوم این که کدک های هوشمند می توانند بازه ی I فریم را بر اساس دنبال کردن فعالیت موجود در صحنه تنظیم کنند. بنابر این، تا زمانی که در صحنه کمی تحرک وجود دارد، دوربین مداربسته می تواند به صورت متناوب (برای مثال هر ۵ یا ۱۰ یا ۲۰ ثانیه) I فریم ارسال کند. اما به محض این که فعالیت قابل توجهی تشخیص داده شد، یک I فریم ایجاد می شود و بازه ی زمانی آن، تا زمان تداوم این فعالیت، کوتاه نگه داشته می شود.

تصویر زیر تحلیل یک استریم ویدئویی H.264 استاندارد را در مقایسه با استریمی که از بازه ی پویای I فریم (GOP) بهره می برد، نشان می دهد. در حالی که کدک استاندارد در بازه ی I فریم ۱۰ ثابت نگه داشته می شود، بازه ی پویای I فریم تغییر می کند. زمانی که هیچ حرکتی در صحنه نباشد، این بازه به بیش از ۷۰ افزایش پیدا می کند. توجه داشته باشید که هر دو استریم نشان داده شده در این تصویر دارای فریم ریت ۱۰ فریم در ثانیه بودند.

در حالی که بازه ی پویای I فریم کیفیت را بهتر نخواهد کرد، کیفیت اساسا باید همان مقدار قبلی باقی بماند. در عین حال پهنای باند به مقدار قابل توجهی کاهش پیدا می کند. در آزمایش ها، GOP پویا مهم ترین عامل محرک صرفه جویی در پهنای باند در کدک های هوشمند بود.

3. فریم ریت پویا

گرچه برخی از VMS ها و NVR ها سال ها است دارای فریم ریت پویا هستند، و آن را به نام “ضبط تقویت شده ی حرکت” (Motion Boost Recording) می شناسیم، این قابلیت به تازگی به دوربین های IP اضافه شده است. همانند بازه ی I فریم،FPS  پویا بیت ریت را صرفا با ارسال فریم های کمتر، در زمان نبود فعالیت در صحنه، کاهش می دهد.

در حالی که این کار می تواند بیت ریت را به طور قابل توجهی کاهش دهد، کاربران باید مراقب کاهش فریم ریت باشند. زیرا ممکن است در موارد نادر سوژه هایی که سریع حرکت می کنند (نظیر خودروهایی با سرعت های بزرگراهی، افرادی که در محیطی کوچک می دوند و غیره) در تصویر دیده نشوند. علاوه بر این، در برخی از موارد، مقررات ممکن است مانع از کاهش فریم ریت شوند.

نه چندان هوشمند: مناطق فشرده سازی ثابت

برخی از دوربین ها به کاربران امکان می دهند تا مناطق ثابت محیط را به عنوان پیش زمینه و پس زمینه تعیین کنند. این کار می تواند در برخی از موارد باعث کاهش بیت ریت شود. اما در مقایسه با کدک های هوشمند ریسک های اضافی به همراه دارد. این ریسک ها می تواند شامل موارد زیر باشد:

• فشرده سازی بالای غیرعمدی: اگر این بخش ها با دقت و بر اساس استفاده ی واقعی از منطقه ی تحت نظارت تنظیم نشوند، اشیاء متحرک ممکن است به مناطق «پس زمینه ای» با فشرده سازی بالاتر در پس زمینه حرکت کنند و جزئیات قابل استفاده ی آن ها از دست برود.
• تنظیم دستی در صورت تغییر شرایط: اگر شرایط صحنه تغییر کند، کاربران باید به صورت دستی مناطق ایستای خود را تنظیم کنند تا کاربرد صحنه را به نحو مناسب انعکاس دهند. هنگام استفاده از کدک های هوشمند دیگر نیاز به هیچ تنظیمی نیست.

فناوری هوشمند مرتبط: کاهش نویز

کدک های معمولی در مقایسه با کدک های هوشمند، با نویزهای قابل مشاهده مشکل دارند. این نویزها در صحنه های کم نور رایج هستند. این نویز در صفحه نمایش «حرکت می کند» و انکدرها تصور می کنند که حرکتی واقعی رخ داده است. چون دوربین معتقد است این یک حرکت واقعی است، در اغلب موارد پهنای باند بیشتری را اشغال می کند. امروزه دوربین ها به نحو فزاینده در حال هوشمند شدن هستند تا حرکات واقعی (نظیر راه رفتن شخص یا حرکت خودرو) را از نویزهای قابل مشاهده تشخیص دهند. این اتفاق می تواند پهنای باند را به مقدار قابل توجهی کاهش دهد.

کار با NVRها و VMSهای استاندارد

به دلیل اینکه کدک های هوشمند در چارچوب استاندارد H.264  و H.265 عمل می کنند، پشتیبانی اضافه ای از سوی NVR  و VMS نیاز نیست. در نقطه ی مقابل، برای برخی کدک های ویژه نظیر MxPEG موبوتیکس (Mobotix) یا EdgeVis  دیجیتال بریرز (Digital Barriers) مدعی کاهش پهنای باند هستند. اما به یکپارچه سازی سیستم احتیاج دارند، این پشتیبانی مورد نیاز است. برخی از VMS ها با مشکلاتی در مورد باز پخش پرش دار تصویر یا عدم بارگذاری استریم های ویدئویی دست به گریبان بوده اند. اما بیشتر توسعه دهندگان  VMSها، به خاطر معرفی کدک های هوشمند، پشتیبانی خود را بهبود بخشیده و بر این مشکلات غلبه کرده اند.

پشتیبانی تولید کننده از دوربین

این که دوربینی امکان فشرده سازی پویا را می دهد به این معنی نیست یا مستلزم آن نیست که از بازه های هوشمند I فریم یا فریم ریت پویا نیز پشتیبانی کند. برخی از دوربین ها تنها از یکی از این سه امکان پشتیبانی می کنند. فشرده سازی پویا رایج ترین آنها است. در حالی که برخی دوربین های دیگر از تمامی آنها پشتیبانی می کنند. نمودار زیر نشان می دهد که کدام تولید کننده از کدام ویژگی کدک هوشمند پشتیبانی می کند.

عملکرد آزمایش شده ی تولید کننده

IPVM تعدادی از این پیاده سازی ها، شامل موارد زیر را مورد آزمایش قرار داده است:

• اکسیس زیپ استریم ۲ با فریم ریت پویا (Axis Zipstream II).
• اکسیس زیپ استریم (Axis Zipstream).
• داهوا اسمارت ۲۶۴+ (Dahua Smart H.264+ )
• هانوا وایز استریم (Hanwha WiseStream)
• هایک ویژن ۲۶۴+ (Hikvision H.264+ Encoding Technology)
• پاناسونیک اسمارت کدینگ (Panasonic Smart Coding)
• یونی ویو UCode(Uniview UCode)
• دوربین مداربسته ویوتک اسمارت استریم ۲ به عنوان بخشی از مقایسه ی ۲۶۴ با H.264
• ویوتک اسمارت استریم

که نتایج این آزمایش ها در زیر اشاره می شود.

نتایج آزمایش های IPVM

از این آزمایش ها، چند نکات کلیدی کسب شده که به شرح زیر هستند:

• بازه ی هوشمند I فریم دارای بیشترین تأثیر (به مقدار ۶۰ درصد و حتی بیشتر) در صرفه جویی فضای تجهیزات ذخیره سازی است. دلیل آن هم این است که بسیاری از صحنه های نظارتی به مدت طولانی ایستا هستند و همین امر باعث صرفه جویی در فضای ذخیره سازی می شود.
• فشرده سازی هوشمند پویا در رده ی بعدی بیشترین تأثیر است. گرچه صرفه جویی در پهنای باند آن بسیار کمتر است.
• فشرده سازی هوشمند ثابت دارای کمترین تأثیر است. در بیشتر مواقع فشرده سازی هوشمند باعث صرفه جویی حدودأ ۱۰ تا ۲۰ درصدی در فضای ذخیره سازی می شود و این به دلیل محدودیت های موجود بر روی تعریف بخش ها است.

ریسک های پهنای باند در صحنه های با تحرک بالا

اگر چه کدک های هوشمند می توانند میانگین بیت ریت را به مقدار زیادی کاهش دهند، اما کاربران در حین محاسبه ی نیازهای پهنای باند، باید مراقب باشند. زیرا در صحنه های پر تحرک ممکن است این کاهش کم باشد یا به طور کلی هیچ کاهشی در پهنای باند از سوی کدک های هوشمند مشاهده نشود. برای مثال، در یک صحنه ی بزرگراه با تحرک بالا، بیت ریت دوربین های اکسیس، پاناسونیک و هایک ویژن نزدیک به بیت ریت در زمانی بود که در تحرک بالا، کدک های هوشمند غیر فعال بودند.

با این همه، صرفه جویی در پهنای باند به طور میانگین در مجموع هر دو دوره (دوره هایی با ترافیک بالا و دوره های دیگر) در تمامی دوربین ها به حدود ۷۰ درصد می رسید.

چون کدک های هوشمند اثر ناچیزی در دوره های پرتحرک دارند، نیازهای پهنای باند باید برای بدترین حالت بیت ریت، و نه حالت میانگین، محاسبه شوند و صرفه جویی های کدک هوشمند نیز باید لحاظ شوند. عدم انجام این کار ممکن است به اشباع بیش از حد و قطع لینک های کابلی و بی سیم منجر شود و سرورها را با اضافه بار مواجه سازد.

دورنمای کدک های هوشمند

در سال هی اخیر تقریبا تمامی تولید کنندگان اصلی حداقل روی برخی از دوربین هایشان کدک های هوشمند را اعمال کردنده اند. بسیاری از آن ها نیز آن را در خط اصلی تولیدات خود پیاده سازی کردند. اما آن هایی که کدک هوشمند نداشتند یا از روش های منقضی شده (نظیر DNR افزایش یافته یا کاهش عمق رنگ) استفاده می کردند که با گذشت زمان زیان قابل توجهی خواهند دید.

به دلیل اینکه توان پردازشی دوربین همچنان در حال افزایش بوده و نیز به دلیل این که مزایای پهنای باند بسیار حائز اهمیت هستند، انتظار داریم که تولید کنندگان ارائه ی کدک های هوشمند را ادامه دهند. همچنین هوشمندی این فرآیندها را برای صرفه جویی بیشتر بهبود دهند و آنها را با H.265 ترکیب کنند. زیرا این کدک در حال تبدیل به استریم اصلی مورد پذیرش همگان است.