На рынке оборудования как записывающего, так и воспроизводящего видео четко прослеживается тенденция увеличения разрешения изображения. Если раньше мультимегапиксельные устройства зачастую располагались в премиумном ценовом сегменте, то сейчас идея о том, что 4K - устройство может быть доступным, не кажется такой уж и удивительной. Системы видеонаблюдения, являясь частью этого рынка, подвержены тем же законам, однако реакция на новинки массмаркета более инерционна. Ведь для видеонаблюдения не стоит задача получения красивой картинки. Куда важнее улучшить процесс детекции и распознавания.
Увеличение разрешения и цветовой гаммы кадра в 4K планомерно влечет за собой увеличение размера цифрового изображения и, соответственно, объема передаваемой информации. При уменьшении ограничения на объем передаваемых данных в настройках оборудования может серьезно ухудшиться качество видеоизображения. Если не ограничивать размер, тогда большой файл потребует большого объема архива для хранения. Проблема больших объемов информации зачастую становится препятствием для осуществления передачи потока видеоданных по сетям Wi – Fi или 3G/4G.
Решить возникающую задачу в своих камерах производители все чаще предлагают за счет использования различных способов кодирования информации, настроек и модификаций известных кодеков. В частности – за счет заложенной в новых моделях поддержки кодека H.265, который теоретически может сократить битрейт более чем на 50% относительно H.264.
Заявленные преимущества H.265
В сфере видеонаблюдения бытует мнение, что кодек H.264 ещё не исчерпал всех своих возможностей. Главным плюсом H.264 является его бесплатность при использовании. Хотя H.265 существует на рынке уже не первый год, он не настолько широко представлен у разных производителей, несмотря на свои технические преимущества.
Технические преимущества H.265
| Параметр | H.264 | H.265 |
|---|---|---|
| 1) Размер блока, пкс | Фиксированный 16×16 | Переменный от 8×8 до 64×64 |
| 2) Возможность многоядерного декодирования | - | + |
| 3) Принцип кодирования изображения | Опорный кадр | Произвольный |
| 4) Глубина цвета, бит | 8 | 10 |
Для того, чтобы узнать насколько эффективно обещанные плюсы проявляются в видеонаблюдении, мы решили провести серию тестов мультимегапиксельных IP – камер.
В ходе подбора оборудования на тест уже стало ясно, что немногие фирмы готовы тратить свои ресурсы на разработку моделей с поддержкой кодека H.265. Его применение больше похоже на энтузиазм отдельных производителей, нежели чем на массовый переход на новую технологию. Проверим, а так ли на самом деле эффективна технология H.265?
Что тестируем
В процессе подбора оборудования на тест оказалось сложно найти подходящие модели в одном типе корпуса и с одинаковым разрешением. Поэтому на тест были предоставлены модели, соответствующие следующим критериям:
- Разрешение: 3 – 6 Мпкс;
- Поддержка H.265;
- Все исполнения кроме PTZ.
Среди моделей первопроходцев на тест были предоставлены:
- BEWARD B5650
- BOLID VCI-140-01
- DAHUA-IPC-HFW5431EP-Z
- MICRODIGITAL MDC M6040VTD-42A
- RVI - IPC44 V.2 (3.6)
Что и почему станем измерять?
Для оценки практической эффективности нового кодека мы решили уйти от субъективного сравнения изображений и сосредоточиться на анализе видеоизображений специальных тестовых таблиц. В ходе теста все камеры осуществляли видеосъемку с разрешением 4 Мпкс. Во время испытаний мы осуществляли измерение битрейта одновременно с разрешением изображения. Все камеры настраивались на съемку при максимальном качестве кодеков H.264 и H.265. Остальные настройки использовались по умолчанию. При этом осуществляли поэтапные изменения следующих характеристик сцены:
- Изменение скорости вращения объекта (~40% движения в кадре, неподвижная таблица и ее вращение со скоростью 2, 4, 6 об/мин)
- Изменение освещенности таблицы (10, 100, 500 лк)
- Изменение ограничения на битрейт (VBR 3, 4, 6 Мбит/с)
Дополнительно было проведено сравнение эффективности кодирования у камер. Произведено измерение минимального битрейта, при котором камеры обеспечивают разрешение 1000 линий в заданных условиях, со скоростью записи 20 к/с. Тест проводился при скорости вращения таблицы 4 об/мин, освещенности 10, 100, 500 лк. Под относительной эффективностью H.265 наша лаборатория понимает отношение битрейта кодека H.264 к H.265.
BEWARD B5650
Предоставлена компанией НПП «Бевард»
Обладает наилучшей стабильностью разрешения как при использовании кодека H.265, так и H.264. Модель показала один из лучших результатов по величине разрешения - 1200 линий. Падение разрешения во всех режимах съемки не превысило 1%. Камера лидирует по эффективности кодирования в H.264 – 853 Кбит/с, и входит в число лидеров в H.265 – 400 Кбит/с. Но вместе с тем она же самая дорогая камера в эксперименте.
Единственный производитель, который предоставил на тест модель Box. В камере используется сенсор SONY Exmor R большого размера 1/1.8", что, по заверению производителя, позволяет получить большую чувствительность и меньший уровень шумов, при слабой освещенности. Производителем заложены режим DWDR и встроенная система шумоподавления 2D/3DNR.
Наличие слота для карт памяти microSDXC объемом до 256 ГБ позволяет сохранить большие объемы информации и продолжить запись даже при потере соединения с сетью Ethernet.
В камере присутствуют аудиовыход и аудиовход для обеспечения двухсторонней аудиосвязи с местом съемки. Есть встроенный детектор движения с регулируемым уровнем чувствительности, выход и вход тревоги, который может работать в режиме NO или NC. Также присутствует порт RS485.
Питание осуществляется по PoE и 12 В DC. Возможна эксплуатация при температурах от -10 до +50°С. А, благодаря тому, что камера имеет Box – исполнение, для нее производитель предлагает опции для передачи данных по оптоволокну и беспроводным сетям. Производитель предлагает термокожухи с разной организацией питания и возможностью арктического исполнения до -60°C.
BOLID VCI-140-01
Предоставлена компанией НВП «Болид»
Модель располагается в числе лидеров по величине среднего разрешения при кодировании в H.265 – 1057 линий. При этом стабильность этого значения от ухудшения освещенности и увеличения скорости вращения также одна из лучших. Лидирует по эффективности кодирования в H.265 (317 Кбит/с) и в относительной эффективности H.265, среднее значение 74%.
По словам производителя, камера предназначена для работы в составе комплекса видеонаблюдения и непрерывной трансляции видеоизображения с охраняемой зоны на системы отображения, записи, хранения и воспроизведения видеоизображения. В модели использован 4 Мпкс CMOS сенсор 1/2,3”. В модели присутствует встроенная технология аппаратного широкого динамического диапазона (WDR) для одновременного отображения ярких и темных участков одного кадра. По словам производителя, он позволяет использовать модель в сложных условиях высокой и одновременно низкой освещенности.
Модель оснащена моторизированным объективом 2.7мм - 12мм, для удаленной настройки, что позволяет регулировать горизонтальный угол обзора камеры в пределах 100° - 34°. Производитель включил в камеру аудиовход и аудиовыход, что позволит инсталлятору организовать двухстороннюю аудиосвязь с местом установки устройства. Имеется встроенная ИК подсветка, дальностью до 50 м. Также на борту для осуществления записи информации на внешний носитель присутствует слот MicroSD. Заявлено соответствие стандарту IP67 и работа при температурах -40 ~ +60°C. Модель ONVIF – совместима. Питание осуществляется по PoE и 12 В DC.
DAHUA DH-IPC-HFW5431EP-Z
Предоставлена компанией IPera (Айпера)
Входит в число лидеров по величине и стабильности разрешения при съемке при ограничениях 3, 4, 6 Мбит/с VBR. Среднее разрешение при съемке в H.264 - 1089 линий и H.265 – 1158 линий. В числе лидеров по относительной эффективности применения кодека H.265, этот кодек эффективнее H.264 в среднем на 70%. В числе лидеров по эффективности кодека H.265 на 10 лк, средний битрейт составляет 572 Кбит/с.
В своей модели производитель заявляет применение оптимизации технологий H.264 и H.265 – Smart H.264+ и H.265+. Экспериментально установлено, что объем информации при их применении в среднем увеличился на 5%, а разрешение изображения при этом уменьшилось на 15%, по отношению к типовым кодекам H264 и H265.
В камере использован 4 Мпкс CMOS сенсор 1/3”. В модели присутствует встроенная технология аппаратного широкого динамического диапазона (WDR 120dB). По словам производителя, для задач со сложными условиями высокой и одновременно низкой освещенностью, он одновременно оптимизирует яркие и темные участки сцены, чтобы обеспечить высокое качество изображения. В устройстве для повышения эффективности видеонаблюдения реализована встроенная интеллектуальная система видеоаналитики (IVS), благодаря которой, камера имеет возможность обнаружения и анализа движущихся объектов и детекция лиц.
Модель обладает моторизированный объективом 2.7мм - 12мм. Присутствуют тревожные входы и выходы, аудиовход и аудиовыход. Имеется встроенная ИК подсветка (Smart IR), дальностью до 50 м. Также на борту присутствует слот MicroSD. Заявлено соответствие стандартам IK10, IP67 и работа при температурах -40 ~ +60°C. Модель Onvif – совместима. Питание осуществляется по PoE и 12 В DC.
MICRODIGITAL MDC-M6040VTD-42A
Предоставлена компанией "Эм Ди Рус"
Входит в число лидеров по величине среднего разрешения H.264 - 1099 линий и по стабильности разрешения в разных режимах съемки (среднее отклонение 2%). Входит в число лидеров по средней эффективности кодирования H.265 – 465 Кбит/с и относительной эффективности этого кодека – 53%.
Съемка на 4 Мпкс, в отличие от других испытуемых осуществляется со скоростью 20 к/с, что наиболее вероятно отразилось на битрейте и разрешении при съемке динамических объектов при максимальной скорости. Камера имеет уличное исполнение со встроенной ИК-подсветкой, состоящей из 42 светодиодов. Производителем заявлено специальное антибликовое стекло с высоким коэффициентом пропускания ИК лучей. В камере реализован аппаратный WDR.
В камере использован вариофокальный моторизованный объектив 2.8 - 12.0 мм с возможностью автофокусировки, позволяющий осуществлять удалённую настройку при необходимости. Присутствует слот для MicroSD карты, объемом до 128 Гб, позволяя пользователю осуществить автономную запись видео в архив, при возникновении сбоев в сети и иных непредвиденных ситуаций.
В модели присутствуют аудиовход и аудиовыход, позволяющие организовать двухстороннюю аудиосвязь с местом установки видеокамеры и тревожный вход и выход для подключения дополнительных устройств.
Корпус изготовлен в соответствии со стандартами IP66, IK10 и работает при температурах от -40 до +60°C. Питание может быть осуществлено как в соответствии с технологией PoE, так и от источника постоянного тока 12 В.
RVI - IPC44 V.2 (3.6)
Предоставлена компанией RVi Group
Камера входит в число лидеров по относительной эффективности кодека H.265 при освещенности 10 лк. Измеренное значение указанной величины составило 55%. Эта камера также обладает наименьшей стоимостью в тесте.
Камера поддерживает форматы сжатия H.264, H.264+, H.265 и H.265+. В ходе теста установлено, что средняя эффективность сжатия кодеков H.264 и H.265 выше на 6%, чем в кодеках H.264+ и H.265+, при этом разрешение ниже на 14%.
В основе камеры лежит 4-х мегапиксельный сенсор, который позволяет формировать видеопоток с максимальным разрешением 2688x1520 пкс и скоростью трансляции 25 к/с. Единственная модель, оснащенная фиксированным объективом 3.6 мм. Модель обладает встроенными алгоритмами видеоанализа изображения. Среди них: пересечение линии и области, детектор оставленных и потерянных предметов, изменение сцены, а также детектор лиц.
Дальность адаптивной ИК-подсветки составляет 40 метров. Наличие аппаратного WDR (широкого динамического диапазона), по утверждению производителя, позволяет получить качественное изображение в условиях резких перепадов освещенности. Заявлено, что технология WDR обеспечивает качественное отображение как хорошо освещенных, так и затененных объектов в секторе обзора камеры видеонаблюдения.
Доступно питание 12 В DC или по PoE. Реализована поддержка SD-карт до 128 ГБ. При этом, функция ANR позволяет осуществлять восстановление архива регистратора при обрывах связи с помощью SD карты камеры. Модель имеет степень климатической защиты IP67. Диапазон рабочих температур камеры составляет от минус 40 до плюс 60°С.
Сравнение характеристик мультимегапиксельных IP – камер с H.265
| Камера | Максимальное разрешение, Мпкс | Размер сенсора, “ | Форм - фактор | Стоимость, руб |
|---|---|---|---|---|
| BEWARD B5650 | 5 | 1/1,8 | Box | 29 900 |
| BOLID VCI-140-01 | 4 | 1/2,3 | Bullet | 26 000 |
| DH-IPC-HFW5431EP-Z | 4 | 1/3,0 | Bullet | 21 900 |
| MDC-M6040VTD-42A | 4 | 1/3,0 | Bullet | 21 250 |
| VI-IPC44 V.2 (3.6) | 4 | 1/3,0 | Bullet | 12 650 |
Рисунок 1 Зависимость среднего разрешения камер во всех режимах съемки от освещенности таблицы. Больше - лучше
Рисунок 2 Зависимость среднего разрешения камер во всех режимах съемки от скорости вращения таблицы. Больше - лучше
Можно отметить, что при увеличении скорости вращения мишени, или уменьшении освещенности, мы наблюдали снижение относительной эффективности нового кодека. В некоторых случаях наблюдали даже снижение разрешения при применении H.265. По всей видимости, данное поведение камер вызвано специальными условиями эксперимента, но не исключает и той версии, что H.265 проявляет себя лучше при комфортных условиях видеонаблюдения, а при неблагоприятных условиях эти два кодека могут стать практически идентичны по характеристикам.
Рисунок 3 Зависимость среднего разрешения камер во всех режимах съемки от значения заданного ограничения потока VBR. Больше - лучше
При увеличении значения ограничения на битрейт до 6 Мбит/с и выше, разница между кодеками становится более ощутима. Немаловажным является тот факт, что использование нового кодека у части моделей сразу становится эффективным, а у некоторых преимущества начинают проявляться только после установки ограничения на битрейт выше определенного порога в настройках. При этом битрейт камеры автоматически подтягивался к установленному ограничению. Это значит, что если инсталлятор не выставит требуемый порог, то камера, независимо от качества изображения, будет нагружать канал на максимальную возможную величину.
Рисунок 4 Зависимость минимального значения битрейта, необходимого для съемки с разрешением 1000 линий, от освещенности. Меньше – лучше.
При измерении минимального битрейта камеры, при котором все камеры показывают одинаковое разрешение разница между двумя кодеками становится более значительной. Можно отметить, что разница битрейта H.264 между моделями может достигать 1 Мбит/с. Таким образом максимальная эффективность сжатия H.265, относительно H.264 получилась именно в моделях, где битрейт H.264 также был максимальным. В результате испытаний средняя относительная эффективность сжатия кодека H.265 при ограничении CBR составила 56%. Эта величина не падала ниже 40%, а в некоторых случаях почти достигала 80%.
Рисунок 5 Зависимость относительной эффективности сжатия H.265 при съемке вращающейся мишени с разрешением 1000 линий от освещенности. Больше - лучше
Перспективы для профессионалов
В результате экспериментов установлено, что в подавляющем большинстве случаев, большинство камер показало рост эффективности кодирования при переключении от H.264 на H.265 кодек. И в некоторых случаях мы наблюдали даже падение траффика до 70%. Хотя в среднем по эксперименту у нас получилось 56%, что даже несколько лучше заявленного значения в описании кодека H.265.
Профессиональный подход к процессу настройки камеры является корнем эффективности нового кодека. По результатам данного эксперимента мы видим, что сильно отличались как эффективность кодирования как от модели к модели, так и относительная эффективность H.265 для одной модели в разных условиях. Это не обязательно говорит о качестве тестируемого оборудования, вполне может иметь место погрешность настройки и специфика алгоритма кодирования конкретной камеры. И вполне вероятно, что в других условиях то или иное устройство поведет себя иначе. Тем не менее, общая картина вырисовывается довольно четко, и мы видим преимущество кодека H.265 перед H.264.
Таким образом, хотя мы и старались проанализировать много вариантов внешних условий, на реальном объекте в каждом частном случае (и это даже без учета дополнительных опций видеоизображения в самой камере) эффективность того или иного кодека будет различна. И прежде чем окончательно определять глубину архива системы, следует провести пробный запуск камеры в различных состояниях места видеонаблюдения.
Есть ли место для H.265 в современном видеонаблюдении?
В заключении отметим, что оператор в процессе настройки может занижать поток с камеры до минимальных допустимых значений. Ключевая разница между двумя кодеками кроется в том, что при снижении ограничения до одинаковых величин качество картинки в H.265 будет лучше, чем в H.264. Следовательно, грамотный инсталлятор сможет построить систему видеонаблюдения с сохранением высокого качества изображения с применением технологии H.265 в целом экономичнее, чем с H.264.
Таким образом, H.265 определенно имеет право на существование и активное внедрение в сферу видеонаблюдения. Сейчас для производителей он в основном является имиджевым товаром для изучения спроса и наработок технологий в сфере обработки видеоинформации. Однако разработчикам стоит задуматься, если не о текущей, то о потенциальной эффективности его применения в своих продуктах. Это становится особенно актуальным в связи с тенденцией роста разрешения и объяснимым желанием сохранения битрейта на прежнем уровне или его снижения. Ведь вероятно уже в скором будущем произойдет переход оборудования на новый кодек, как в свое время это произошло и с технологией H.264. Проведенное исследование опубликовано в журнале «Системы Безопасности» №3 2017.
