Словарь терминов

H.264 (MPEG-4 Part 10 или AVC, Advanced Video Coding) — лицензируемый стандарт компрессии, регламентирующий высокую степень сжатия видео при сохранении качества. Разработан двумя командами, ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) совместно с ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG), в рамках совместной программы Joint Video Team (JVT).

В H.264 предусмотрено три типа кадров:

• I-кадры: Intra-coded frames, опорные, содержащие информацию о неподвижной части сцены; внутрикадровая обработка.
• P-кадры: Predicted frames, предсказанные кадры, содержащие информацию об измененных частях сцены и ссылки на соответствующие I-кадры; межкадровая обработка.
• B-кадры Bi-predicted frames: двунаправленно предсказанные кадры, ссылающиеся на I-кадры, P-кадры и B-кадры — предыдущие и последующие.

Стандарт H.264 эффективнее предыдущих и более гибок, отличается многокадровым предсказанием движения, использованием до 32 опорных кадров (в ASP их максимум два), независимостью порядка опорных изображений и используемых методов предсказания.

Широкий выбор изображений для компенсации движения повышает эффективность кодирования сцен с возвратно-поступательным движением и часто повторяющимися частями кадра — сильно снижает битрейт, экономит ресурсы полосы пропускания. Кодек ограничен только объемом памяти.

В предыдущих стандартах изображение, закодированное определенным методом (например, двунаправленного предсказания), нельзя использовать как опорное для предсказания движения в другой видеопоследовательности. В H.264 это ограничение снято (в качестве опорного выбирается более близкое по содержанию), как и ограничение на порядок воспроизведения и порядок опорных изображений.

Другие преимущества:

• Компенсация движения с динамичным размером блока — от 4 до 16 пикселей: более точное выделение области движения.
• Выходящие за границы изображения векторы движения (опция H.263, вошедшая в стандарт H.264).
• 6-точечная фильтрация яркости для уменьшения зубчатости по краям, повышения четкости картинки.
• Компенсация движения с точностью до четверти пикселя.
• Взвешенное предсказание для эффективного кодирования сцен с изменяющимся светом.
• Пространственное предсказание.
• Сжатие и улучшенный метод представления макроблоков — без потерь.
• Функции чересстрочного сжатия с кодированием целого кадра или пары полей в зависимости от наличия или отсутствия движения. MBAFF, кодирование полей, адаптивное к макроблокам; прогрессивное и чересстрочное кодирование каждой вертикальной пары блоков.
• Новые функции преобразования: адаптивный выбор размера блока, преобразование Адамара, точное целочисленное преобразование пространственных блоков 4×4 и 8×8.
• Функции устойчивости к ошибкам.
• Устраняющий артефакты блочности внутренний фильтр.
• Энтропийное кодирование.
• Квантование.
• Произвольный порядок посылки и получения частей изображения относительно друг друга (благодаря возможности из отдельного декодирования), что снижает задержку в реальном времени, особенно в сетях с режимом «доставка вне очереди».
• Разбиение данных по разным пакетом с разным уровнем защиты — в зависимости от степени важности.
• Посылка избыточного представления частей кадра для воспроизведения в случае потери данных.
• Нумерация кадров для создания последовательностей.
• Обнаружение потерь кадров в случае сбоя канала и пропажи пакета.

Стандартом определены профили (профиль — комплект тех или иных возможностей) для конкретного применения. Перечисленные функции поддерживают не все профили.

Профили H.264:

1. Ограниченный базовый профиль, Constrained Baseline Profile, с набором общих для Baseline, Main, и High профилей возможностей — для недорогого сегмента оборудования.
2. Базовый профиль, Baseline Profile, с набором, как в ограниченном базовом профиле, но с дополнительной устойчивостью к потерям — применяют в недорогом, но требующем устойчивости к потерям сегменте (мобильные продукты, видеоконференции).
3. Основной профиль, Main Profile, для цифрового телевидения стандартной четкости.
4. Расширенный профиль, Extended Profile, для потокового видео, с относительно высокой степенью сжатия и возможностями повышения устойчивости к потере данных.
5. Высокий профиль, High Profile, основной в цифровом вещании, особенно в телевидении высокой четкости.
6. Высокий профиль, High 10 Profile, с возможностями High Profile и поддержкой 10-битной глубины кодирования.
7. High 4:2:2 Profile (Hi422P) для работы с чересстрочным видеопотоком, с дополнительным вариантом кодирования цветности.
8. High 4:4:4 Predictive Profile (Hi444PP) с возможностями Hi422P плюс еще одним вариантом кодирования цветности и поддержкой 14-битной глубины кодирования.

В стандарт включены четыре дополнительных all-Intra профиля без межкадрового сжатия, когда информация о соседних кадрах не используется — для узкоспециализированного применения. С появлением новых технологий и расширений список профилей пополняется. В системах видеонаблюдения в основном используют Main Profile и High Profile.

Как выглядит HDVR?
Можно встретить 2 подвида: компьютерные видеорегистраторы и non-PC (часто называемыми StandAlone). C первым все понятно — это либо стандартный, либо промышленный ПК на базе операционных систем Linux или Windows. Во внешнем виде второго, вы не увидите разницы с обычным DVR. Просто non-PC HDVR, первые из которых были продемонстрированы на выставках в 2008 году, отличаются от них обязательным присутствием LAN порта для подключения к сети Ethernet. То есть это устройство с возможностью управления с лицевой панели (что редко увидишь у PC-based DVR), одним или несколькими слотами для установки HDD (обычно не более 8), все современные модели поддерживают управление «мышью».

Как работает HDVR?
Основное отличие HDVR от DVR скрыто внутри. Все DVR умеют воспроизводить архив, эту возможность и использует HDVR, когда получает сжатые потоки видео с IP камер по сети, декомпрессирует их тем же способом что и архивные данные с жестких дисков и отображает на экран. Конечно, мощность процессоров и их количество определяет сколько каналов видео и с каким разрешением вы можете декомпрессировать. Только в 2009 году на рынке появились non-PC регистраторы, способные воспроизводить архив 16 каналов 25 кадров в секунду полнокадрового видео (704х576) одновременно с записью. То есть, если это 16-канальный HDVR, то мы можем записывать, например 16 каналов аналогового (подключенных непосредственно к нему) и сетевого (с IP-видеокамер) видео, и отображать все эти камеры на экран, если, конечно разрешение сетевых камер те же 704х576. Если оно больше, то количество отображаемых (а часто и записываемых) IP камер будет пропорционально снижено. Например, HDVR может записывать 16 аналоговых камер или 8 аналоговых и 8 IP камер SD (разрешение 704x576 или 640х480, или в этих пределах), или 8 аналоговых и 4 камеры с разрешением 720P (1280x720 25-30 FPS).

Зачем нужен HDVR?
HDVR – это явление переходного периода. В настоящий период идет интенсивное движение рынка в сторону цифровых, и прежде всего IP технологий. Однако в ближайшие годы (мы сейчас в 2010) не стоит сбрасывать со счетов аналоговые камеры, так как они все еще более дешевы, особенно в системах охраняющих небольшие по площади территории или офисы.
Итак, если вы уже имеете аналоговую систему видеонаблюдения, полная замена ее на IP видеокамеры или даже IP-видеосервера потребует серьезной переделки кабельной инфраструктуры. HDVR позволит вам оставить существующие аналоговые камеры, а дальнейшее расширение делать уже на IP оборудовании и все камеры будут отображаться в едином интерфейсе.
Если вы строите систему «с нуля», то HDVR вам может оказаться более выгодным. Во-первых, камеры расположенные недалеко (несколько десятков метров) могут быть аналоговыми, тогда как более удаленные удобно группировать и, в итоге, к HDVR придет только один сетевой провод. Во-вторых, не все участки охраняемой территории могут требовать записи в высоком качестве, тогда, возможно, их будет дешевле контролировать аналоговыми камерами.

ICR — английская аббревиатура: Infrared Cut filter mechanically Removable, то есть механически сдвигаемый инфракрасный фильтр. Представляет собой тонкую пленку с фильтрующим напылением. Расположен непосредственно перед матрицей. Сдвигается в сторону при съемке в темноте — для повышения чувствительности сенсора и корректной работы ИК-подсветки.

Инфракрасное излучение — причина появления на картинке, при дневной съемке, зон лилового цвета. На них невозможно рассмотреть, что там находится или происходит. ICR блокирует ИК-лучи, оптимизируя цветопередачу.

В темноте фильтр вреден (потому и сдвигается) по двум причинам.

1. При формировании изображения в цвете чувствительность матрицы, особенно CMOS, значительно снижается в результате обязательных потерь в цветовых фильтрах и восприятия пикселем лишь части цветов. Для повышения чувствительности в черно-белом режиме спектральный диапазон (видимый свет) матрицы расширяется в инфракрасную область, но именно ИК блокирует фильтр. Для камер видеонаблюдения это критично, размер используемых матриц невелик (чем крупнее матрица, тем выше качество картинки). При низкой светочувствительности изображение серьезно теряет в качестве из-за шумов (рябь, темные полосы).

2. Фильтр не пропускает ИК-лучи, что делает невозможным ночное видеонаблюдение при включенной ИК-подсветке: все видимое — отраженный свет, но ICR заблокирует инфракрасный диапазон и получим черные кадры без намека на то, что находилось в зоне мониторинга.

Механически сдвигаемый фильтр — оптимальный вариант в отличие от электронной альтернативы, его используют практически во всех современных камерах, в том числе бюджетного сегмента. Управление ICR — электромагнитное/магнитоэлектрическое, что и обусловило его широкое внедрение за счет снижения цены. Есть несколько сценариев управления — автоматическое, ручное, по расписанию, но в большинстве недорогих камер это автоматика.

PoE — Power over Ethernet, технология подачи питания одновременно с передачей данных. Питание подают по стандартной витой паре — это избавляет от необходимости прокладки электрокабелей к каждому устройству системы.

Прежде чем подать напряжение на потребитель, PoE-источник проверяет подключение — подает 2.8 ~ 10 вольт и определяет входное сопротивление, после чего классифицирует устройство по мощности (классу). Если устройство потребляет больше, чем определено принадлежностью к классу, источник отключает питание. Если все в пределах нормы (19 ~ 26.5 кОм), подает полное напряжение и продолжает контроль: отключает устройство, если потребление составляет менее 5 мА в течение 400 мс или более 400 мА в течение 75 мс.

Стандарты — IEEE 802.3af-2003 и IEEE 802.3at-2009, но при из обозначении год обычно опускают и пишут IEEE 802.3af и IEEE 802.3at.

IEEE 802.3af регламентирует обеспечение постоянного тока (DC) силой до 400 мА (миллиампер) с номинальным напряжением 48 В (36 ~ 57 вольт), поступающего по двум парам проводников 4-парного кабеля, для максимальной мощности на порте 15.4 Вт (ватт) и получения потребителем 12.95 Вт. IEEE 802.3at (PoE+) — тока силой до 600 мА, максимальной мощности на порте 30 Вт и получения потребителем 25.50 Вт.

Определено пять классов устройств:

• 0 — от 0.44 ~ 12.95 Вт (15.4 Вт на порт)
• 1 — 0.44 ~ 3.94 Вт (4.5 Вт)
• 2 — 3.84 ~ 6.49 Вт (7 Вт)
• 3 — 6.49 ~ 12.95 (15.4 Вт)
• 4 — 12.95 ~ 25.5 (30 Вт на порт; зарезервирован в IEEE 802.3af, но используется для устройств с поддержкой PoE+).

Кроме использования двух свободных пар, предусмотрено фантомное питание (разность потенциалов пар проводников).

Согласно специфике IEEE 802.3at, использовать для подачи питания четыре пары запрещено (33.3.1: PDs that simultaneously require power from both Mode A and Mode B are specifically not allowed by this standard), тем не менее производители выпускают IP-камеры, получающие до 60 Вт.

ИК-подсветка (IR; IR LED) — инфракрасная подсветка, предназначенная для круглосуточного видеомониторинга, освещения сцены в темноте. Представляет собой россыпь инфракрасных диодов, размещенных вокруг или по бокам объектива, или один диод с рассеивающей линзой (EXIR by Hikvision).

Видимый объект — объект, отражающий свет. У матрицы камеры видеонаблюдения широкий спектральный диапазон (видимый свет) — она улавливает невидимое глазу инфракрасное излучение. Большинство диодов работают в диапазоне 730-750 нм (нанометр), далее по ниспадающей: 800 нм, 870 ~ 880 нм, 930 ~ 950 нм (очень редко).

EXIR

EXIR-подсветка — разработка Hikvision, частично запатентованная, состоит из одного диода и прямоугольной линзы (патент). Один мощный энергоэффективный диод заменяет собой россыпь ИК-диодов: дает столько же света и столько же потребляет. Прямоугольная линза рассеивает свет в форме кадра — это предохраняет от размытия за пределы сцены и засветки центра кадра.

Smart IR

Smart IR — адаптивная ИК-подсветка: мощность излучения инфракрасных диодов меняется в зависимости от удаленности объекта наблюдения (в рамках дальности действия подсветки), что предохраняет от засветки центра кадра при съемке вблизи. Расстояние оценивает процессор — по интенсивности отраженного от объекта света.

Освещение области видеонаблюдения можно организовать отдельно — расположить рядом с камерой ИК-прожектор, но это влечет за собой необходимость замены объектива на специальный с маркировкой IR: волны инфракрасного и видимого человеческому глазу диапазона (любой фонарь в области наблюдения) преломляются под разным углом и пересекают оптическую ось объектива в разных местах, что создает размытость изображения. Камеры с встроенной ИК-подсветкой укомплектованы специальными объективами с ИК-коррекцией.

ИК-фильтр — приспособление или метод блокировки инфракрасного излучения, искажающего цветопередачу и лишающего фрагменты изображения информационной составляющей.

Снимающие в цвете камеры видеонаблюдения чувствительны к инфракрасному излучению ближнего диапазона (до 950 нм) и записывают отраженный свет. Засвеченные ИК-лучами участки становятся лилового света, и разобрать, что на них изображено, практически невозможно. Для блокировки ИК-излучения используют ИК-фильтр: электронный или механический. В темноте цветная камера автоматически переходит в режим черно-белой съемки, фильтр начинает мешать, особенно камерам с ИК-подсветкой (кроме черноты не увидим ничего — фильтр блокирует инфракрасный диапазон).

Механический ИК-фильтр (ICR) сдвигается в сторону, чем повышает чувствительность матрицы и позволяет подсветке нормально работать. Электронный фильтр представляет собой блокирующее свет инфракрасного диапазона напыление на матрице. Переход в черно-белый режим — банальное объединение каналов R (красный), G (зеленый), B (синий) в черно-белый, но это ничего не меняет. Камеры с электронным ИК-фильтром не подходят для ночного видеонаблюдения, даже если по каким-то неизвестным соображениям в них встроена ИК-подсветка.

Объектив — оптическая система, состоящая из комплекса линз, собранных в единую оправу и взаимно компенсирующих аберрации (оптические искажения). Объектив обращен к объекту наблюдения и формирует его настоящее и мнимое изображение.

В конструкцию объектива иногда входят вспомогательные элементы: система оптической стабилизации, адаптивной и активной оптики, диафрагма, система фокусировки, апертурный затвор, внутренние и встроенные бленды, светофильтры. Ввиду узости задачи, камеры видеонаблюдения чаще всего укомплектованы объективами без дополнительных элементов, в том числе без диафрагмы. Системы фокусировки, оптической стабилизации и диафрагма — прерогатива специализированных моторизованных объективов.

Одна из основных, определяющих характеристик объектива — фокусное расстояние (от оптического центра до фокуса с проходящей через него фокальной плоскостью), измеряемое в миллиметрах. От фокусного расстояния зависит угловое поле объектива, размер наблюдаемой сцены в кадре — то, что увидит оператор.

В каком качестве оператор увидит сцену, определяет апертура — способность собирать свет и препятствовать волновому размытию деталей картинки. Чем меньше число, указывающее апертуру, тем больше света способен собрать объектив, тем качественнее будет изображение. Пример: у объектива с апертурой f/1.2 светосила больше, чем у объектива с апертурой f/3.0, и картинка будет качественнее — при прочих равных характеристиках.

Поскольку система видеонаблюдения решает разные задачи — от наблюдения за котом в однокомнатной квартире до мониторинга в аэропорту и съемки на магистральных трассах, — в камерах видеонаблюдения используют короткофокусные, длиннофокусные и сверхдлиннофокусные объективы разного типа: с фиксированным фокусным расстоянием, с переменным фокусным расстоянием, моторизованные и fisheye.

Объектив с фиксированным фокусным расстоянием

Фокусное расстояние объектива фиксируют на заводе в процессе сборки — оно одинаково до конца эксплуатации. Наиболее популярны объективы с фокусным расстоянием 2.8 мм — из-за широкого углового поля. Камеры с сверхдлиннофокусными объективами применяют в решении специфических задач, например когда камеру можно установить исключительно на здании, но мониторить нужно въезд на территорию — углового поля сверхдлиннофокусного объектива как раз хватает для точечного наблюдения на дальнем расстоянии.

Объектив с переменным фокусным расстоянием

Фокусное расстояние таких объективов указывают в диапазоне от меньшего к большему, например 2.7 ~ 13.5 мм. Это означает, что фокусное расстояние можно изменить, а вместе с ним — угловое поле.

Объективы с переменным фокусным расстоянием подразделяют на трансфокаторы и вариофокальные — по конструкции оптической системы. В трансфокаторах она состоит из объектива с постоянным фокусным расстоянием и афокальной насадки, в вариообъективах — из вариатора с отдельными линзами, двигающимися по сложным законам, и корректора, исправляющего остаточные искажения. Применительно к видеонаблюдению тип объектива не имеет значения (это важно для профессиональных фотографов, занимающихся макросъемкой), но важно, что камера с такой оптикой гораздо проще в монтаже и в разы больше мест ее инсталляции.

Моторизованный объектив

Объектив с переменным фокусным расстоянием снабжен автоматической системой фокусировки и мотором (как правило, сервоприводам) для удаленного управления. Такая оптика нужна в камерах, установленных на объектах с постоянным активным мониторингом и необходимостью масштабировать изображение, что происходит практически мгновенно — скорость трансфокации, как правило, не превышает 5 секунд на самом длинном фокусе.

Fisheye-объектив

Fisheye-объективы отличаются огромным угловым полем (до 180°), из-за чего необработанное изображение изобилует бочкообразными искажениями — это понятно, ведь невозможно без изменений превратить полукружие в плоскость. Изображение с укомплектованным «рыбьим глазом» камер программно разбивают на отдельные каналы, попутно исправляя дисторсию. Программное обеспечение продается отдельно или уже встроено в камеру. В контексте видеонаблюдения преимущество такой оптики — одна камера вместо как минимум четырех.

Чувствительность матриц цифровых камер видеонаблюдения не имеет ничего общего с традиционной, показывающей зависимость числовой характеристики сформированного изображения от экспозиции и выражаемой в ISO. Представляет собой сборное значение, включающее передаточную функцию системы — матрицы и преобразователей, работающих с видеосигналом. Параметр измеряют в люксах, обозначая освещенность, необходимую для формирования изображения с приемлемым уровнем шумов. Люкс равен одному люмену на квадратный метр.

Чем меньше значение светочувствительности, тем она выше, например: 0.1 лк ниже, чем 0.01 лк и света требуется больше, аналогично — 0.01 лк ниже 0.001 лк. Высокочувствительные матрицы (два нуля после точки) способны формировать видеоизображение в цвете даже при нехватке света. Если после точки три нуля, матрица будет давать цветное видео при свете стандартных уличных фонарей без какой-либо дополнительной подсветки.

Указывая чувствительность, добавляют условия (IRE, апертура объектива), потому что она меняется в зависимости от расстояния до объекта наблюдения и наклона источника света.