Эффективное Видеонаблюдение: баланс качества видео и нагрузки на инфраструктуру

Планируя организовать систему видеонаблюдения для абонентов или на охраняемом объекте, вы неизбежно столкнетесь с тем, что нужно подобрать необходимые ресурсы, в том числе серверы и интернет-канал с достаточной пропускной способностью. Изучив руководства и имеющиеся инструменты для автоматизированного расчета, вы придете к выводу, что все упирается в качество. Чем выше качество видео, тем оно “тяжелее”, то есть тем больше требуется дискового пространства для хранения того же периода архива, мощности процессора для обработки видео и пропускной способности сети для его передачи с камер на сервер и с сервера к пользователям.

Качество видео определяется решаемой задачей: например, чтобы узнать, что делает кот, пока вас нет дома, не обязательно покупать камеры со сверхвысоким качеством картинки, а вот камеры, используемые в розыскных мероприятиях сотрудниками соответствующих органов должны удовлетворять высоким требованиям к качеству и надежности.

Проблема “облегчения” изображений и видео без потери качества занимает лучшие умы человечества уже не первое десятилетие, и на данный момент существует множество способов снизить потребление ресурсов системой видеонаблюдения без потери качества видео.

Какие параметры нужно учитывать?

На качество видео, а следовательно сетевую нагрузку и занимаемое дисковое пространство в общем случае влияют следующие параметры:

• Разрешение кадра и глубина цвета. Разрешение — это ширина кадра в пикселях, умноженная на высоту, а глубина цвета — это количество бит, используемых для определения цвета одного пикселя (в современных камерах обычно 24 бит/пиксель, не настраивается). Умножив эти три числа, получим размер одного кадра без сжатия.

  Рассмотрим пример: рассчитаем, размер кадра (Р) с разрешением Full HD шириной (Ш) 1920, высотой (В) 1080 пикселей с глубиной цвета (Г) True color, т.е. 24 бита. Такие параметры широко распространены в современных системах видеонаблюдения.

  Р = Ш × В × Г = 1920 × 1080 × 24 = 49 766 400 бит ≈ 47,46 Мбит/кадр

• Частота кадров (fps) — количество кадров, отправляемых камерой в секунду. Чем больше кадров отправляет камера, тем больше ресурсов требуется для их передачи и обработки.

  Продолжим рассмотрение примера с кадром Full HD: рассчитаем необходимую пропускную способность сети, если мы не используем сжатие и передаем кадры с наиболее популярной частотой, поддерживаемой большинством камер — 25 кадров в секунду. Для этого умножим размер кадра на количество кадров и получим количество информации, передаваемой за секунду, то есть битрейт камеры.

  Чтобы передать секунду видео, нам понадобится пропускная способность сети (ПС)

  ПС = Р × fps = 47,46 Мбит/кадр × 25 кадров/с ≈ 1 186,5 Мбит/с

  То есть больше чем 1 Гбит/с для передачи видеопотока всего с одной камеры. Такие мощности совершенно нерациональны, а разрешение кадра должно оставаться высоким, поэтому в современных системах видеонаблюдения большую роль играют другие параметры, описанные ниже.

• Сжатие (кодек) — алгоритм кодирования, позволяющий уменьшить количество информации, необходимой для передачи видео. Аналоговое видео, то есть видео без сжатия, передается как есть, пиксель за пикселем. Некоторые кодеки (например, MJPEG) сжимают каждый кадр видео отдельно, а при использовании других, например H.264, полностью передаются только ключевые кадры, а остальные кадры выстраиваются на основе ключевых. Например, если поле зрения камеры примерно неподвижно, и в нем меняются только мелкие объекты, то кодек позволяет передавать только изменяющуюся часть изображения, а фон рассчитывать исходя из ранее полученной информации.

  В качестве примера рассмотрим кодек H.264. Степень сжатия сильно зависит от используемого профиля, самый эффективный профиль High Profile обеспечивает коэффициент сжатия до 2000:1, т.е. поток 1 Гбит/с может быть сжат до 512 Кбит/с в идеальных условиях, например, когда на сцене совсем нет движения и мелких деталей. В нормальных условиях можно считать коэффициент сжатия равным 1000:1. Рассчитаем битрейт с нашей камеры Full HD с частотой кадров 25 fps при степени сжатия q_{низк. акт.} = 1/2000 и q_{выс. акт.} = 1/1000:

  ПС_{низк. акт.} = ПС × q_{низк. акт.} = 1 186,5 Мбит/с × 1/2000 ≈ 0,6 Мбит/с

  ПС_{выс. акт.} = ПС × q_{выс. акт.} = 1 186,5 Мбит/с × 1/1000 ≈ 1,2 Мбит/с

• Активность сцены — наличие в кадре движущихся объектов, например, людей, автомобилей, деревьев в ветреную погоду и пр. Влияние активности на качество обусловлено в том числе используемым кодеком: современные кодеки могут значительно уменьшать размер видео при отсутствии активности на сцене, и увеличивать потребление ресурсов только тогда, когда это необходимо для передачи информации о движущихся объектах.

  Ниже приведен пример сцены с высокой и низкой активностью. В кадре слева нет движущихся объектов, а справа в кадре присутствуют люди:

  

  При расчете ресурсов нужно примерно оценить период времени, когда в кадре не будет движения. В примере выше камера смотрит на офисную столовую, то есть движение в кадре будет присутствовать только в рабочее время с запасом в несколько часов в обе стороны, чтобы учесть любителей поработать с утра или вечером, допустим это 11 часов. А ночью, в течение оставшихся 13 часов в сутках, можно считать, что движения не будет (если только не произойдет какая-либо нештатная ситуация).

  Таким образом, можем рассчитать размер архива за сутки (в часе 3600 секунд):

  Арх = (11 ч × 3600 с/ч × 1,2 Мбит/с) + (13 ч × 3600 с/ч × 0,6 Мбит/с) = 75 600 Мбит ≈ 9,2 Гбайт

• Запись по движению позволяет снизить требования к дисковому пространству. В рассмотренном выше примере, если включить запись по движению, можно будет сэкономить около 3,4 Гбайт/сут. за счет исключения из суммы второго слагаемого.

В общей сложности все эти параметры определяют битрейт камеры. Потребление ресурсов зависит от битрейта камер и их количества. Например, входящая сетевая нагрузка зависит от битрейта и количества захватываемых камер, а исходящая от битрейта и количества просматриваемых камер. Размер дискового пространства зависит от битрейта, количества камер и требуемой глубины архива. Очевидно, задача снижения ресурсопотребления сводится к снижению битрейта камер.

Битрейт растет пропорционально разрешению, частоте кадров и активности сцены (если используется переменный битрейт, т.е. VBR) и обратно пропорционально степени сжатия. Таким образом, битрейт в какой-то степени можно рассматривать как показатель качества. Но если одно синоним другого, как же снизить битрейт без потери качества? Это сложно, но возможно: поскольку качество — понятие субъективное, мы можем менять один или несколько параметров качества так, чтобы визуально картинка оставалась приемлемой.

К тому же в Watcher предусмотрены дополнительные инструменты, позволяющие без подбора параметров качества снизить нагрузку на сеть.

Как те или иные параметры влияют на качество?

Итак, мы разобрались с тем, как рассчитывать потребление ресурсов в зависимости от параметров, влияющих на качество. Напомним, что под качеством обычно понимается субъективное восприятие картинки на экране, т.е. то, как выглядит видео. Перечисленные выше параметры могут влиять на качество, но стандартной численной оценки качества как такового не существует. Нельзя определить качество видео только одним параметром, то есть качество и разрешение — не одно и то же, как и степень сжатия не является единственным показателем качества и т.п.

На стороне камеры можно подобрать оптимальные параметры качества для ваших условий использования (см. Настройка камеры по ONVIF):

• Разрешение. Чем больше разрешение, тем более четкая картинка и более мелкие детали на ней можно рассмотреть, но при этом требуется большая ширина канала для передачи видео и больше дискового пространства для хранения архива. Обычно для видеонаблюдения хватает разрешения HD или Full HD. Например, если пользователи не просматривают видео на Ultra HD мониторе, то нет смысла передавать видео в сверхвысоком разрешении, поскольку это все равно не даст никаких преимуществ. Выбирайте разрешение, которое подойдет для конечного пользователя.

• Частота кадров. Чем больше число кадров в секунду, тем более гладким выглядят движения в видео, но требуется большая ширина канала для передачи и больше дискового пространства для хранения. В системах видеонаблюдения не всегда требуется высокая частота кадров. Если в поле зрения видеокамеры нет быстро движущихся объектов, которые могут «проскочить» за долю секунды, то снижение частоты кадров не повлияет на качество. Для сцен с людьми достаточно 15 fps, для машин 30 fps и более.

• Кодек. Вы можете выбрать кодек, который будет сильнее сжимать поток. Например, H.265 будет сжимать видео лучше, чем H.264, но при его использовании могут быть ограничены возможности просмотра видео в браузере. Кроме того, не все камеры поддерживают кодек H.265, однако вы можете быть уверены, что наши камеры Bullet и Dome его поддерживают. Подробнее об особенностях использования H.265 в Watcher см. статью Поддерживаемые кодеки.

• Переменный битрейт (VBR, variable bitrate) или максимальный битрейт (MBR, maximum bitrate) позволяют в полной мере использовать преимущества современных кодеков.

  В режиме VBR битрейт камеры будет снижаться, если на сцене нет активности. Например, если камера установлена в подъезде жилого дома, то битрейт будет низким, когда перед камерой никто не ходит. Однако этот режим не даст значительного улучшения в случаях, когда в поле зрения камеры всегда присутствует движение, например, на оживленном перекрестке.

  В режиме MBR вы можете сами задать максимально допустимый битрейт. При этом качество будет снижаться, если в кадре много активности.

На стороне Watcher можно выполнить определенные настройки, которые без изменения качества позволят минимизировать нагрузку на сеть и/или снизить потребление дискового пространства, однако наложат некоторые дополнительные ограничения на функциональность вашей системы видеонаблюдения:

• Отключить захват звука. Watcher по умолчанию захватывает аудио поток, если он есть на камере. Конечно, аудио поток не дает существенной нагрузки на сеть, но если он не нужен, лучше его отключить.
• Отключить захват неиспользуемых подпотоков. Watcher захватывает все потоки, указанные в настройках камеры. Проверьте, что там указаны только необходимые потоки.
• Включить захват потоков по запросу. При включении этой настройки Watcher не будет захватывать поток, если ни один пользователь его не запрашивает, но в этот период не будут работать никакие функции, связанные с камерой.
• Для экономии дискового пространства включить запись только по движению.

Все вышеперечисленные параметры можно изменить в настройках камеры в Watcher.

Читайте также: Эффективная система видеонаблюдения в ритейле