Тестирование эффективности кодирования в камерах с высоким разрешением

Видеонаблюдение является одной из технологических областей, находящихся на острие прогресса. Это не кажется удивительным, поскольку видеонаблюдение уже стало основным фундаментом для разнообразных систем безопасности. Современные камеры используются и для решения множества других задач, на первый взгляд, никак не связанных с обеспечением безопасности на объекте. В частности, можно говорить о сборе данных для маркетинговых целей, например для построения температурных карт магазина или оценки конверсии торговой точки. Видеокамеры, в составе специализированного программного обеспечения, могут применяться для автоматического решения множества задач. Раньше для этого часто требовалось непосредственное участие человека: обнаружение подозрительного поведения, детекция толпы, допуск транспорта по автономерам, обнаружение и распознавание лиц. Некоторые пункты этого списка уже реализуются на борту самих видеокамер.

Однако, возрастающие объемы видеоинформации, поступающие от все увеличивающегося количества устройств, требуют и соответствующих доработок принципов хранения данных. В случае хранения только информации о зафиксированных срабатываниях детекторов увеличения объема памяти вполне достаточно Но когда речь заходит о долгосрочном хранении видеозаписей, проблема становится значительно серьезнее. Наблюдается и постоянное увеличение разрешения снимаемого видео. Это позволяет получить более качественное решение описанных проблем, но вместе с тем требует и большего места для хранения.
Вторым способом увеличения полезного объема архива является применения новых функциональных возможностей сжатия видео. Разработчики учитывают эту необходимость и внедряют в свои модели самые актуальные технологии и способы кодирования. Так кодек H.265 получил широкое распространении и уже сложно найти видеокамеру, не позволяющую вести запись в таком формате. Многие компании предлагают свои собственные алгоритмы и дополнительные средства для уменьшения итогового битрейта видео с сохранением высокого качества и детализации картинки.

Что тестируем?

В этот раз мы решили протестировать эффективность сжатия видео в камерах с высоким разрешением при использовании кодека H.265. Кроме того, проверить и эффективность дополнительных возможностей по экономии архива, предлагаемых производителями. А с этой целью мы собирали камеры со следующими ограничениями:

  • Поддержка кодека H.265;
  • Поддержка дополнительных алгоритмов улучшения сжатия;
  • Стоимость до 30 000 р.

Что нам предоставили на тест?

В результате в лаборатории оказались следующие образцы:

  • BEWARD SV3215RZ
  • NOVIcam PRO NC41WP
  • Q-Tech QVC-IPC-501ASZ (2.8-12)
  • Smartec STC-IPM5200/1 Estima

Как станем это измерять?

Для оценки кодирования мы проведем испытания при принудительной установке скорости съемки 15 кадр/с для всех камер.

Измерение максимального разрешения камер будем проводить по стандартным тестовым таблицам при изменении освещенности от 500 лк до 1 лк. Определим битрейт с которым осуществляется запись видеоизображения. Эти тесты будут повторены при включении дополнительного алгоритма улучшения сжатия, доступного в камерах. В ходе теста съемка будет проводиться в режиме VBR.

Измерим минимальный битрейт, при котором все камеры могут записывать видео с одинаковым горизонтальным разрешением при вращении тестовой таблицы со скоростями 3 и 5 об/мин. В тесте за такое разрешение принималось 900 линий. Съемка осуществляется в режиме CBR и проводится принудительное ограничение битрейта, чтобы управлять фактическим разрешением видеокамер. Таким образом значение битрейта вручную уменьшается в настройках камеры до тех пор, пока на изображении не удастся распознать только 900 линий.

BEWARD SV3215RZ

Предоставлена компанией НПП «Бевард»

Лидирует по величине разрешения (Рисунок 1), вместе с этим показывая и высокую равномерность этого значения. Демонстрирует наилучший результат по эффективности кодирования при съемке динамического объекта на скоростях 3 об/мин (Рисунок 3) и 5 об/мин (Рисунок 4) без включения алгоритма улучшения сжатия.

Производитель отмечает, что оснастил камеру новым 5 Мпкс сенсором Sony Starvis для получения высокого уровня детализации объектов в условиях низкой освещенности. Модель позволяет записывать видео при максимальном разрешении в реальном времени со скоростью 30 к/с. В устройстве использован привод варифокального объектива 2,8 — 12 мм с автофокусировкой для удаленной настройки угла обзора камеры. Производитель заявляет, что в камере реализован аппаратный WDR и усовершенствованный алгоритм цифровой стабилизации изображения для предотвращения смазывания видео из-за вибраций. Также в модели заявлена поддержка H.265 с технологией анализа изображения Smart Stream. Производитель подчеркивает, что модель оснащена степенью защиты IP67, а кабель Ethernet подключается сразу внутри герметичного корпуса камеры без монтажной коробки. Заявлена встроенная поддержка расширенной видеоаналитики на 8 функций: подсчет людей, пересечение линии, детекторы праздношатания, саботажа, людей, движения и входа/выхода в рамках заданной области (активация лицензии).

NOVIcam PRO NC41WP

Предоставлена компанией NOVIcam

Лидирует по эффективности работы алгоритма улучшения сжатия при съемке статического объекта (Рисунок 2). Входит в число лидеров при съемке динамического объекта на скорости 3 об/мин с алгоритмом улучшения (Рисунок 3) и на скорости 5 об/мин без него (Рисунок 4).

Производитель отмечает, что уличная всепогодная IP видеокамера NOVIcam PRO NC41WP передает изображение с разрешением 4 Мпкс на скорости до 20 к/с. Производитель подчёркивает, что применил в своей модели связку мегапиксельного сенсора и производительного процессора для превращения камеры в мультифункциональное устройство. В камере использован мегапиксельный объектив 2.8 мм c ИК коррекцией. Отмечается, что для съемки в темное время суток в камере реализован сдвиг ИК светофильтра с матрицы CMOS и включение встроенной ИК-подсветки с эффективной дальностью до 30 м. Производитель заявляет два режима подсветки: 35° основной и до 120° рассеянный В камере заявлен класс защиты IP67 для обеспечения ее эксплуатации в любых погодных условиях. Производитель подчеркивает, что для осуществления управления камерой реализован бесплатный облачный сервис P2P, работающий с различными операционными системами, в том числе на мобильных устройствах. Для связи с IP видеорегистраторами и программным обеспечением заявлена поддержка стандарта ONVIF.

Q-Tech QVC-IPC-501ASZ (2.8-12)

Предоставлена компанией Ipera (Айпера)

Лидирует по величине битрейта при съемке динамического объекта на скорости 3 об/мин (Рисунок 3). Причем значение сохраняется как при включенном алгоритме улучшения сжатия, так и при отключенном. Входит в число лидеров по величине разрешения при съемке статического объекта при 1 лк (Рисунок 1).

Цилиндрическая сетевая видеокамера, по словам производителя, построена на базе матрицы STARVIS Sony Exmor формата 1/2.9'' разрешением 5 Мпкс. Поддерживается запись видео с максимальным разрешением со скоростью 25 кадров/с. Камера оборудована моторизированным вариофокальным объективом 2.8 – 12 мм. Для работы в темное время суток видеокамера оснащена ИК-подсветкой с заявленной дальностью до 40 м. В камере заявлена поддержка аппаратного WDR. В модели заявлена поддержка технологии P2P, предоставляющей пользователю возможность в любой момент подключиться к ней удаленно без использования статического IP-адреса. В устройстве реализованы два линейных входа и выхода для внешних аудио устройств и имеется возможность организации двунаправленной аудиосвязи с объектом. Видеокамера, по словам производителя, соответствует стандарту ONVIF (версия 2.6). Заявлена степень защиты в соответствии со стандартом IP67. Производитель, отмечает, что устройство защищено от внешних погодных факторов и может эксплуатироваться вне помещений. Питание к камере может подаваться по кабелю локальной сети, поддерживающей PoE, либо от 12 В.

Smartec STC-IPM5200/1 Estima

Предоставлена компанией Смартек Секьюрити

Лидирует по разрешению при съемке статического объекта при 1 лк и входит в число лидеров по этому разрешению от 10 до 500 лк (Рисунок 1). Лидирует по величине среднего битрейта при съемке статического объекта без алгоритма улучшения сжатия (Рисунок 2). Входит в число лидеров при съемке динамического объекта на скорости 3 об/мин (Рисунок 3) и 5 об/мин (Рисунок 4), как при включенном, так и при отключенном алгоритме улучшения сжатия.
В камере заявлена 1/2.8” КМОП-матрица 5 Mпкс Sony Starvis™ IMX335 с прогрессивным сканированием. Модель позволяет записывать видео на любом доступном разрешении со скоростью 30 кадр/с. Производитель отмечает, что камера может применяться в комплекте с разнообразными термокожухами Smartec, в частности оснащенными ИК-подсветкой до 120 метров и нижней границей температурного диапазона до -70°С. Производитель отмечает, что чтобы избавить пользователя от проведения работ по подключению к камере моторизованного объектива внутри термокожуха, модель уже оснащена короткофокусным объективом 2,8 - 12 мм. Производитель подчеркивает, что камера аппаратно синхронизирована с модулем ИК-подсветки термокожуха, что обеспечивает корректное одновременное переключение обоих устройств в режимы день-ночь. Также производитель отмечает, что его решение для повышения гибкости в применении является модульным, чтобы исключить необходимость доработок в конструкции термокожуха в большинстве случаев.

Результаты испытаний

Характеристики камер

КамераBEWARDNOVIcamQ-TechSmartec
КорпусУличный BulletУличный DomeУличный BulletБескорпусная
Сенсор, Мпкс5455
Максимальное разрешение, пкс2560×19202560×14402592×19442560×1920
Скорость съемки при максимальном разрешении, кадр/с30201530
Объектив, ммМоторизованный 2,8-122,8Моторизованный 2,8-12Моторизованный 2,8-12
ИК-подсветка, м453040нет
Алгоритм улучшения сжатия H265Smart StreamH.265+H.265+Smart Stream
Стоимость, руб2720081742000026000

 

Значения битрейтов камер в этом режиме указаны на Рисунке 2
Рисунок 1 Зависимость разрешения от освещенности при съемке статичной сцены (Больше – лучше)

Все камеры показали достаточно хорошую равномерность разрешения при съемке статической сцены. При этом на графике наблюдается снижение разрешения при снижении освещенности, характерное для всех видеокамер (Рисунок 1). Инсталлятору следует учитывать этот факт, если планируется вести видеонаблюдение в условиях возможного снижения внешней освещенности. Именно эту проблему обычно решают за счет применения ИК-подсветки непосредственно в самой камере, или в качестве отдельного прожектора.

Значения разрешений камер в этом режиме указаны на Рисунке 1
Рисунок 2 Зависимость битрейта от освещенности при съемке статичной сцены (Меньше – лучше)

В некоторых моделях при снижении освещенности наблюдалось скачкообразное увеличение битрейта при съемке без алгоритмов улучшения сжатия (Рисунок 2). Включение этих алгоритмов позволило сильно сгладить подобные скачки битрейта. Кроме того, алгоритмы улучшения сжатия позволили уменьшить и среднее значение битрейта.

С практической точки зрения, повышение эффективности кодирования видео, позволяет значительно увеличить время заполнения видеоархива. Если проанализировать полученные усредненные значения, можно приблизительно представить продолжительность непрерывной видеозаписи. Так на специализированный жесткий диск объемом 1 Тб запись может вестись в течение примерно 58 дней (без алгоритмов улучшения сжатия – 38 дней). После настройки записи по событию, время заполнения такого архива может быть значительно увеличено.
Однако эти характеристики получены при съемке статической картины и хорошо отражают ситуацию, когда продолжительное время наблюдается неизменная сцена. И хотя наблюдение в подобных условиях является частым явлением (например контроль периметра), стоит учесть, что видеокамеры всё-таки используют для контроля и динамических сцен . 

Поскольку все камеры показали разные результаты измерения разрешения и битрейта, стоило ограничить один из этих связанных параметров. В нашем случае мы решили оценить битрейт камер, при съемке вращающейся таблицы с одинаковым фактическим разрешением 900 линий. Это разрешение доступно всем камерам и достаточно для решения большинства практических задач видеонаблюдения.

Рисунок 3 Битрейт при съемке динамической сцены со скоростью вращения 3 об/мин (Меньше – лучше)

Использование алгоритмов улучшения сжатия могло приводить как к уменьшению, так и к незначительному увеличению битрейта у некоторых участников (Рисунок 3) в сравнении со съемкой без них. Тем не менее, алгоритмы улучшения сжатия в целом позволили получить небольшое уменьшение итогового битрейта.

Вероятно, такое поведение связано непосредственно с самим запрограммированным алгоритмом улучшения сжатия. К примеру, алгоритм может «сглаживать» различия между двумя соседними кадрами. А в этом случае в статической картине могут получиться значительно лучшие результаты сжатия, чем в аналогичной динамической. Кроме того, эти алгоритмы могут влиять непосредственно и на детализацию при увеличении скорости вращения.

Рисунок 4 Битрейт при съемке динамической сцены со скоростью вращения 5 об/мин (Меньше – лучше)

Битрейт заметно увеличивается при увеличении скорости вращения (Рисунок 4). В этом режиме тоже присутсвуют камеры, у которых включение алгоритма улучшения сжатия приводит к увеличению битрейта. Но средняя величина остается примерно одинаковой в обоих режимах.

В итоге использование алгоритма улучшения сжатия немного уменьшило средний битрейт камер при скорости вращения 3 об/мин и незначительно увеличило его при скорости вращения 5 об/мин. А значит и эффективность применения алгоритмов улучшения сжатия может быть различной. Стоит учитывать, что процент движения в нашем тесте превышал 50% от размера кадра. На практике продолжительная съёмка такой сцены маловероятна. Наиболее часто встречается ситуация, когда в кадре ничего не происходит, за исключением периодического движения на участке около 20% изображения (к примеру, проход людей).

Заключение

Все видеокамеры показали хорошее качество видеосъемки даже несмотря на принудительное ухудшение внешних условий. Применение актуальных технологий сжатия видео совместно со специализированными алгоритмами действительно позволяет получить высокодетализированную картинку. При этом вполне возможно сохранить экономичность использовании канала передачи и емкости видеоархива. Инсталлятору стоит учитывать, что съемка динамической сцены с включенным алгоритмом улучшения сжатия может, в некоторых случаях, привести к увеличению битрейта.

Мы наглядно продемонстрировали, что использование в моделях дополнительных технологий сжатия видеосигнала не является лишь маркетинговым ходом. Вполне очевидно, что их применение, вкупе с грамотной настройкой, позволяет значительно сэкономить видеоархив. А дальнейшее развитие технологии кодирования видео вполне может позволить сохранять небольшой объем видеоданных даже при значительном увеличении разрешения применяемых в камерах сенсоров.

Тестирование видеокамер

Тестирование видеокамер

Тестирование видеокамер

Тестирование видеокамер

Тестирование видеокамер

Тестирование видеодомофонов

Тестирование видеодомофонов

Тестирование видеодомофонов

Тестирование NVR