Разные кодеки  имеют разную степень сжатия информации исходного файла. Основные кодеки применяемые в системах видеонаблюдения: H.264, MJPEG, MPEG4, Motion Wavelet, JPEG2000, MxPEG.

Для того, чтобы определить степень сжатия кодеков вначале расскажу о том как определяется размер  несжатого кадра изображения.

Определение размера несжатого кадра

Размер несжатого кадра это произведение ширины и высоты изображения в пикселях умноженное на глубину цвета. Размер кадра не зависит от того, что изображено в кадре, т.е. размер файла без сжатия будет одинаков для любого изображения.

С произведением ширины и высоты изображения сложностей не должно возникнуть, для видеокамер с разрешением  704 х 576 получим 405 504 пикселей.

Глубина цвета задаётся количеством битов, используемым для кодирования цвета точки.

Для кодирования черно-белого изображения используется 1 бит (2^1 = 2 цвета), для 16 цветов — 4 бит (2^4 = 16 цветов), для 256 цветов – 8 бит (2^8 = 256 цветов),   для 16 миллионов цветов — 24 бита (2^8 = 256 различных вариантов представления цвета для каждого канала (256×256×256=16 777 216 цветов).

Современные IP  видеокамеры отображают изображение с глубиной 24 бита.

Таким образом, получаем следующий размер несжатого изображения 405 504 х 24 =  9 732 096 бита.

1 байт = 8 бит, тогда получаем 9 732 096 / 8 = 1 216 512 байт.

1 килобайт = 1024 байта

В итоге получаем, что наше изображение в разрешении 704х576 пикселей в несжатом виде весит 1 216 512 / 1024 = 1 188 (тысяча сто восемьдесят восемь) кбайт.

Для закрепления, размер изображения из 16 цветов будет весить – 704 х 576 х 4 / 8 / 1024 = 198кбайт.

Определение размера сжатого кадра

Размер будет зависеть от типа используемого кодека. Кодеки можно поделить на два типа: 1. Покадровые — выполняющие сжатие  каждого кадра (MJPEG, JPEG2000);

2. Межкадровые — выполняющие сжатие последовательности изображений (H.264, MPEG4, Motion Wavelet, MxPEG)

Преимущества покадровых перед межкадровыми кодеками заключается в том, что дают четкие кадры без артефактов и предсказательной логики. Любой момент можно четко рассмотреть. Нет  зависимости от ключевых кадров.

Преимущества межкадровых – меньший размер кадра, соответственно уменьшение необходимой пропускной способности канала.

MJPEG и JPEG2000

Недостатками MJPEG являются более низкий коэффициент сжатия по сравнению с кодеками выполняющими сжатие последовательности изображений (H.264, MPEG4, Motion Wavelet, MxPEG) и блочная структура  данных (дробление изображения на квадраты 8х8 пикселей ).

Преимуществом, относительно (H.264, MPEG4) является, то, что даёт качественные стоп-кадры, позволяющие с большей вероятностью, например выяснить номер проехавшего автомобиля.

Преимущества JPEG2000 перед MJPEG:

1. Изображения, при высоких степенях сжатия не содержат артефактов в виде “решётки” из блоков размером 8х8 пикселей.

2. Обеспечивает как сжатие с потерями, так и сжатие без потерь в кодек. Сжатие без потерь обеспечивается путем использования обратимого (целочисленного) вейвлет-преобразования;

3. Обеспечивает эффективную организацию кодового потока, которая позволяет просматривать файл с меньшей разрешающей способностью или с меньшим качеством;

Размер кадра в MJPEG и JPEG2000

Размера кадра взят из программы  из on-line калькуляторов от Avigilon(максимально качество) и  Axis (минимальное сжатие, камера AXIS Q6035-E, сцена Stairway (максимальный размер кадра))

В калькуляторе Axis есть возможность посмотреть пример получаемого изображения.

MxPEG

По мнению производителя (Mobotix) данный кодек, позволяет получить изображение с качеством характерным для покадровых кодеков и размером кадра (при малой интенсивности движения) в кадре близким к межкадровым.

Алгоритм проще чем у H.264, соответственно ресурсов требуется меньше. Проще тем, что не пытается предсказывать содержимое опорных кадров (видно на рис.1)

Размер кадра в MxPEG

Таблица 1. Все настройки по максимуму (качество – 90%, заполненность изображения – высокая, процент движения – очень высокий)

Таблица 2. Все настройки по максимуму, кроме заполненности изображения движения (качество – 90%, заполненность изображения – средняя, процент движения – очень высокий)

Размер кадра взяты из калькулятора от Mobotix

Из таблиц можно сделать вывод, что данный кодек надо применять с осторожностью, если вы знаете, что часть кадра будет занимать неподвижная стена вдоль которой движение будет отсутствовать или большую часть времени изменений в кадре не предвидится, то тогда на размере архива можно сэкономить, главное не забывать про изменяющийся объем передаваемых данных и с учетом этого рассчитывать канал передачи данных.

H.264 и MPEG4

За счет  мощных математических вычислений, требует больших объемов вычислений, чем другие кодеки. Как следствие устройства, обрабатывающие потоки H.264 должны обладать высокой производительностью.

Второй нюанс, аналогичен MxPEG – сложное прогнозирование потока H.264. Благодаря таким особенностям кодирования, как сохранение в последующем кадре только изменений предыдущего, объем передаваемых данных зависит от снимаемого изображения и может меняться.

Размер кадра в H.264

Размера кадра взят из программы  IP Video System Design Tool (все настройки максимальные).

Здесь видим, что степень сжатия на много превышает таковую в MxPEG. При необходимости получения архива большой глубины за меньшие средства, данный кодек является оптимальным вариантом.

Недостаток заключается в том, что за счет использования предсказательной логики, собственно и позволяющей так уменьшить средний размер кадра, не все кадры могут быть пригодными, например для индетификации.

Motion Wavelet

Данный кодек с 2005 года использует компания “ITV” в программном обеспечении  “Интеллект”.

Размер кадра (разрешение 704х576) в максимальном качестве при максимальная интенсивности – 73 кБайт, высокой – 27, средней – 19. Степень сжатия соответственно – 16,2; 44; 62,5.

Расчет архива

Расчет сводится к определению размер кадра изображения,  темпа записи на каждую камеру (количество кадров в секунду), необходимое количество часов записи в сутки, количество видеокамер устанавливаемых на объекте и необходимое количество суток записи.

Ориентировочный размер кадра в лучшем качестве для приведенных кодеков для любого разрешения определяем путем определения размера несжатого кадра в необходимом разрешении, после чего делим полученное изображение на степень сжатия для данного кодека.

Зная приведенные выше параметры можем рассчитать необходимую емкость жестких дисков.

Итак, по порядку:

1. Определяем требуемое место на жестком диске для записи одной видеокамеры в течении 1 часа (строка 5, см таблицу ), для этого перемножаем объем 1 кадра изображения (строка 1) на количество кадров в час (строка 4);
2. Определяем требуемый объем для записи одной видеокамеры в течении 1 суток (7 строка) для этого нам необходимо знать — требуемое место на жестком диске для записи одной видеокамеры в течении 1 часа (5 строка), количество часов записи в сутки (6 строка, есть смысл записывать информацию с камеры видеонаблюдения установленной, например, в магазине в рабочее время постоянно, ночью только в случае тревоги, соответственно в расчет емкости жесткого диска нет смысла вставлять 24 часа);
3. Определяем требуемый объем жестких дисков для записи всех видеокамер в течении необходимого количества суток, умножаем количество суток (строка 10) на требуемый объем для записи всех видеокамер в течении 1 суток (строка 9);
4. Для удобства восприятия переводим КБайт в МБайт (строка 12), ГБайт (строка 13), ТБайт (строка 14).

Таблица — Расчет емкости жестких дисков

* синим выделены формулы в соответствии с которыми выполняется расчет, (1) – ссылка на номер строки со значением вставляемым в формулу

Скачать файл  с автоматизированным, приведенным выше расчетом — Расчет необходимой емкости жестких дисков.

Нюанс:

В 12-14 строке значения делятся на 1024, т.е. в одном Гигабайте 1024 мегабайта и т.д., если будете считать объем жесткого диска в калькуляторе программы IP Video System Design Tool, то заметите, что там значения делятся на 1000.

Обосновано, тем, что производители накопителей жестких дисков (HDD) считают килобайт равным 1000 байт, а не 1024, как положено.

Так, что это при расчете и подборе жестких дисков этот факт надо учитывать.

Расчет архива системы видеонаблюдения можно выполнить с помощью ONLINE калькулятора расположенного здесь.