Intelligente Videokompressions-Methoden

Das Thema Kompression ist in der Videoüberwachung von großer Bedeutung: Die Anzahl der eingesetzten Kameras steigt, die Auflösungen werden immer höher und die Detailschärfe nimmt immer weiter zu. Prinzipiell muss eine Komprimierung möglichst so erfolgen, dass relevante Details nicht zerstört werden, aber gleichzeitig das Datenvolumen weitgehend reduziert wird.

Intelligente Videokompression sollte die Bild-Details bewahren sowie die aufkommende und stetig steigende Datenmenge reduzieren. Mit der Einführung der Zipstream-Technologie ist ein wichtiger Standard gesetzt worden. Seit seiner Einführung 2015 wird diese Technologie zudem kontinuierlich weiterentwickelt.

Von besonderer Bedeutung ist die Komprimierung vor allem bei der Rund-um-die-Uhr-Überwachung einer Szene oder in Szenen mit hohem Bewegungsanteil. Die Szenenkomplexität kann sich dabei im Laufe der Zeit deutlich ändern: das Ladengeschäft erhält eine neue Dekoration oder die Vegetation wächst und verändert sich im Jahresverlauf. Den wenigsten Einzelhändlern ist bewusst, dass die Ladendekoration den Speicherbedarf der Videoüberwachung immens beeinflussen kann und auch Landschaftsgärtner passen die Gestaltung der Grünflächen nicht dem Sichtfeld der Kamera an.

Versprechen der Hersteller

Glaubt man den Aussagen der verschiedenen Hersteller von Videotechnik, scheint es heutzutage kein Problem mehr zu sein die Bitraten der Videoströme so zu reduzieren, dass die Kamera wenig bis anscheinend sogar keinen Speicherplatz mehr benötigt.

Allerdings leidet im Regelfall die Qualität der aufgenommenen Bilder deutlich. Und dies lässt sich leider nicht aus dem Datenblatt ablesen. Sondern man merkt es erst wenn es zu spät ist: Bei der Durchsicht des aufgezeichneten Videomaterials nach einem Vorfall. Es gilt einen kritischen Blick auf die eingesetzten Methoden zu werfen und nicht nur schlicht den Versprechen der Industrie zu glauben.

Hohe Komplexität bedeutet hohen Speicherbedarf

Allgemein gilt: Eine geringe Komplexität einer Szene resultiert in eine geringe Bitrate und stellt damit niedrige Anforderungen an den Speicherplatz. Hohe Komplexität erzeugt entsprechend größere Datenmengen und erfordert folglich auch mehr Speicherkapazität.

Verändern sich Szenen nicht, kann eine einmalig richtig eingestellte Kamera mit einer konfigurierten Kompression optimale Ergebnisse für die festgelegten Anforderungen erzielen. Doch diese Annahme ist kaum realistisch, da sich Szenen stets verändern. Deshalb sind dynamische Technologien gefordert, die nicht bei jeder Veränderung der Szene neu konfiguriert werden müssen.

Hersteller haben unterschiedliche Ansätze. Einer davon ist die Zipstream-Technologie. Hier erfolgt eine dynamische und vollständige Analyse eines Bildes zu jedem Zeitpunkt. Darauf basierend kommt es zu einer verstärkten Komprimierung irrelevanter Bildinhalte. Die Herausforderung besteht darin, nicht relevante Bildinhalte zu erkennen, so dass der Anwender auf der einen Seite keine Kompromisse im Hinblick auf die Qualität eingehen muss und die Bandbreite auf der anderen Seite nicht unnötigerweise strapaziert wird.

Ist eine Szene nicht komplex, kann die Zipstream-Funktion die Bitrate in manchen Momenten bis auf null reduzieren. Eine sehr komplexe Szene hingegen kann eine sehr hohe Bitrate erzeugen, wenn zum Beispiel alle Inhalte von Bedeutung sind: der Eingang in einem Einkaufszentrum oder der Treppenaufgang in einem Bahnhof.

Fehlende Details?

Video-Forensiker beklagen oft das Fehlen von Details im aufgezeichneten Videomaterial. Und das trotz des Einsatzes von hochauflösenden, modernen IP-Kameras. Hauptursache dafür ist der Einsatz von ungeeigneten Komprimierungsmethoden für die Videoaufzeichnung, die bereits bei mittlerer Szenenkomplexität versagen und forensisch relevante Details zerstören, d.h. zu stark komprimieren. Im Regelfall basieren diese Methoden lediglich auf der Kappung bzw. Begrenzung von Bitraten, der sogenannten Maximum Bitrate (MBR) oder Constant Bitrate (CBR), die aber nicht von selbst zwischen relevanten und nicht relevanten Inhalten unterscheiden können.

Videokompression im Überblick

Videokompression ist nicht verlustfrei. Einmal komprimiert, können die unkomprimierten Ursprungsinformationen nicht wiederhergestellt werden – im Gegensatz zur Dateikompression, die verlustfrei komprimiert. Dies ist nur dann möglich, wenn es Ähnlichkeiten gibt. Je geringer zum Beispiel die Übereinstimmung eines Frames mit seinem Vorgänger ist, je weniger kann bei Bandbreite und Speicherplatz eingespart werden.

Mit den Standards zum Kodieren von Videoinhalten und Bildern, H.264 und H.265, kann die Bitrate fast beliebig manipuliert werden. Diese Methoden sind nicht explizit auf die Bewahrung der Bildinformationen ausgerichtet, sondern dienen zur Reduzierung der Bitrate.

Bitratenbegrenzungen wie die maximale Bitrate (MBR) oder auch die konstante Bitrate (CBR) sind Instrumente, die in der Videoüberwachung sehr oft per Default von Seiten der Hersteller eingesetzt werden. Besonders kritisch sind niedrige Limits, die in der Realität zu deutlichen Kompressionsartefakten führen, insbesondere wenn die Szene stark bewegt ist und die Limits sehr niedrig definiert sind.

Begrenzt man beispielsweise einen 1080p Videostream mit 12 Bildern/Sekunde für die Aufzeichnung auf 500 kBit/s, so wird es zum reinen Glückspiel Details zu erkennen. Es ist elementar der Bitrate genügend Raum nach oben zu geben und eine eventuelle Begrenzung immer der jeweiligen Szene individuell anzupassen.

Intelligente Videokomprimierung

Eine intelligente Komprimierungstechnologie analysiert das Bild vor der Komprimierung. Der Encoder in der Kamera enthält dazu die relevanten Informationen und entscheidet daraufhin, wo im Bild mehr und wo weniger komprimiert werden darf. Dieser Ansatz orientiert sich an den Anforderungen von Video-Forensikern. Er schont relevante Details und komprimiert irrelevante Bildinhalte stärker. Dadurch leidet die Bildqualität nicht und der Nutzer erhält ein optimales Bild.

Hersteller, die in ihren Default-Einstellungen die Bitraten auf sehr niedrige Werte begrenzen, tragen im Ernstfall die Hauptverantwortung für die daraus resultierende niedrige Bildqualität. Denn von einem Facherrichter kann in der Regel leider nicht erwartet werden, dass dieser sich auch mit den komplizierten Details der Videokompressionstechnik auskennt. Bei intelligenten Komprimierungstechnologien wie Zipstream stellt die Bitratenbegrenzung eine mögliche Ergänzung dar – doch dies ist nicht immer sinnvoll.

So kann zum Beispiel eine 1080p@25fps Kamera in der Verkehrsüberwachung auf 500 Kbit/s begrenzt werden und liefert noch weiterhin eine gute Übersicht. Geht es aber um Details, so sollte man sich auf wesentlich höhere Bildraten einstellen.

Fazit

Videokompression ist ein komplexes Thema und von stetig zunehmender Bedeutung für Video-Forensiker sowie auch Unternehmen. Richtig eingesetzt, bewahrt sie relevante Bildinformationen. Wird sie falsch angewendet, können wichtige Informationen verloren gehen. Wirklich intelligente Kompressionsmethoden sind vollständig dynamisch und reduzieren nur dann, wenn es forensisch vertretbar ist. Im Default begrenzte Bitraten in den Einstellungen der Kameras sind in der Videoüberwachung daher unbedingt zu vermeiden.

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Autor:

Timo Sachse, Product Analyst EMEA bei Axis Communications GmbH

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