Mehr Sicherheit durch den Einsatz der Netzwerkkameras von Mobotix und Axis

                                       

Ingenieurbüro Manthey

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Kompressionsverfahren

Effektive Daten-Kompression reduziert Bandbreitenanforderungen drastisch

Der erste Schritt zur wirkungsvollen Reduzierung des Datentraffics im Netz ist die Komprimierung der Daten. Derzeit unterstützen die meisten IP-Netzkameras MJPEG und MPEG-4 oder H.264. Von Mobotix wurde das sehr effektive Kompressionsverfahren MxPEG, das speziell auf Sicherheitsanwendungen optimiert ist, entwickelt. MxPEG wird nur von Mobotix-Netzwerkkameras unterstützt. Der Videokomprimierungsstandard H.264 ist seit einiger Zeit auf dem Markt und hat durch den Megapixel-Boom eine rasante Verbreitung erreicht. Praktisch keine neuentwickelte Netzwerkkamera kommt heute noch ohne Unterstützung von H.264 auf den Markt. Neben den Kameraproduzenten sind hier auch die Entwickler der Videomanagementsysteme bei der H.264-Unterstützung gefragt. Die Videomanagement-Software SeeTec und die Axis Camera Station unterstützen den Kompressionsstandard H.264 seit der Einführung der neuen Axis-Kamerageneration. H.264 erreicht eine drastische Verringerung der Datenströme, bei gleichzeitig sehr guter Bildqualität, hat MPEG4 längst abgelöst und wird langfristig im Zuge der Einführung der 4K-Technologie sicherlich durch H.265 abgelöst werden.

Motion JPEG (MJPEG) ist ein recht einfaches Verfahren, bei dem jedes einzelne Bild, das die IP-Netzkamera liefert, separat als JPEG-Bild komprimiert wird. Zwischen der Bilderfassung in einer Kamera, der Kodierung, der Übertragung im Netzwerk, Dekodierung und schließlich Anzeige an einem Anzeigegerät, liegen jeweils nur geringe Verzögerungen. Die mit MJPEG komprimierten Bildströme haben eine von der Bewegung des Bildes unabhängige Qualität. Durch die separate Kompression aller Einzelbilder ist es bei MJPEG möglich, ein Video bildgenau zu schneiden. MJPEG gewährleistet Bildqualität unabhängig davon, wie komplex Bewegungen oder Bilder sind und bietet zugleich die Flexibilität, den richtigen Kompromiss zwischen einer hohen Bildqualität bei niedriger Komprimierung und geringerer Bildqualität bei hoher Komprimierung zu finden, so dass auch kleinere Bildgrößen und damit eine geringere Bildrate und Bandbreitenauslastung möglich sind. Unter Motion JPEG entstehen relativ umfangreiche Bilddatenvolumen, die im Netzwerk übertragen werden müssen. Dargestellt werden MJPEG-komprimierte Streams u.a. vom Quick Time Player und Browsern wie Google Chrome, Safari und Mozilla Firefox. MJPEG wird von allen modernen IP-Kameras unterstützt.

MPEG-4: Bei dem MPEG-4-Verfahren wird, grob vereinfacht, nicht mehr jedes einzelne Bild separat komprimiert, sondern lediglich die Veränderungen zwischen den benachbarten Bildern. Ein Ausgangsbild wird nur geringfügig komprimiert und als Referenzbild, das sog. I-Frame (Intra-Frame), festgelegt. Nachfolgende Bilder enthalten nur noch auftretende Veränderungen im Bildbereich. Zur Verfeinerung der Kompression werden noch P-Frames und B-Frames eingesetzt. Je dichter die I-Frames gesetzt werden, destso geringer ist die Kompression und der Bandbreitengewinn. MPEG-4 bietet den Vorteil, dass ein geringeres Datenvolumen pro Zeiteinheit (Bitrate) als bei Motion JPEG über das Netzwerk übertragen werden muss, soweit keine niedrige Bildrate gewählt wird. Bei niedrigeren Bildraten kann die Komprimierung mit MPEG-4 weniger Ähnlichkeiten zwischen benachbarten Bildern nutzen. MPEG-4 erfordert eine recht komplexe Kodierung/Dekodierung, was die Hardwareanforderungen an die Netzwerkkameras erhöht. Seine Vorteile spielt MPEG-4 bei hohen Bildraten und Szenen mit viel Bewegungen (Veränderungen) aus. MPEG-4 reduziert die Bandbreitenanforderungen gegenüber Motion JPEG erheblich. Das Zerlegen einer MPEG-4-komprimierten Videosequenz in einzelne Teilbilder ist nicht mehr so problemlos möglich wie bei Motion JPEG was auch Auswirkungen auf Bildanalyse Funktionen hat.

H.264 (MPEG-4 Part 10/AVC): Mit dem verstärkten Einsatz von hochauflösenden Megapixel-Netzkameras steigen die Anforderungen an Bandbreite und Speicherplatz enorm an. Unter Verwendung des H.264-Verfahrens ist die Kompression deutlich effizienter als bei MPEG-4. Ohne Einbußen bei der Bildqualität kann ein H.264-Encoder die Bandbreiten- und Speicherplatzanforderungen im Vergleich zu Motion JPEG (MJPEG) um mehr als 80% und gegenüber MPEG-4 Part 2 um mehr als 50% reduzieren. Eine Videosequenz passt bei gleicher Qualität in eine Datei, die nur halb so groß ist. Andersherum betrachtet heißt das, dass eine H.264-komprimierte Videodatei die ebenso groß wie eine MPEG4-komprimierte Videodatei ist, eine deutlich bessere Qualität liefert. Damit ist auch im Videobereich der Weg frei für HDTV-Qualität. Wie jeder neue Kompressionsstandard erfordert auch H.264 eine wesentlich höhere Rechenleistung. Die Anforderungen an die Rechenleistung der Hardware steigen um den Faktor 2 bis 3. Der Netzkamerahersteller Axis Communications rüstet alle neuentwickelten Netzwerkkameras der M-, P- und Q-Serie mit einem neuen leistungsfähigen Chip aus, der die H.264-Kodierung unterstützt.

MxPEG: H.264 ist mittlerweile zum weltweit meistgenutzten Komprimierungs-Codec geworden, der von YouTube, iTunes, Adobe und den meisten Sicherheitskameras unterstützt wird. Mobotix setzt hingegen auf den eigenen Codec MxPEG. Der Grund hierfür ist der Einsatzbereich der Kameras. Mobotix Netzwerkkameras werden traditionell in Sicherheitsumgebungen eingesetzt. In Sicherheitsanwendungen zählt vor allem die Qualität der Bilder und weniger die maximale Reduzierung der Bandbreiten und des erforderlichen Speicherplatzes. MxPEG erreicht nicht die Frame-Rate von H.264, aber jedes Bild ist von sehr guter Qualität. Wichtig ist dies u.a. für die Videoanalyse und die Nachbearbeitung von Aufzeichnungen. Der Codec MxPEG ist eng mit JPEG verwandt, was die höhere Bildqualität bei geringerem Kompressionsgewinn erklärt. Bei MxPEG werden die einzelnen erfassten Bilder in Kacheln unterteilt und nur die Kacheln übertragen, in denen sich auch Details verändert haben. Regelmäßig übertragene vollständige JPEG-Standbilder sorgen für eine aktuelle Bildbasis. Trotz der besseren Bildqualität von MxPEG hat Mobotix H.264 bei seiner neuesten Kamerageneration Mx6 H.264 implementiert um bei neuen Projekten die Option H.264 zu erfüllen.

H.265 / HEVC High Efficiency Video Coding: 4K/UHD kommt und damit wird auch die bisher für FullHD eingesetzte Videokompression nach H.264 nicht mehr aureichen. Der offiziele Nachfolge - Kompressionsstandard ist H.265. Ein H.265 / HEVC Codec wird, im Vergleich zum Vorgänger H.264, bei vergleichbarer Bildqualität (1080p) eine Verbesserung der Kompression um den Faktor 2 liefern. Die Dateigröße eines in H.265 codierten Videos wird so nur noch die Hälfte dessen betragen, was dasselbe Video, bei gleicher Bildqualität und Auflösung, in H.264 codiert auf der Festplatte benötigen würde. Eine effizientere Daten - Kompression hat vor allem auch bei dem Bandbreitenbedarf zum Übertragen von hochauflösenden Bilddaten über das lokale Netzwerk und das Internet eine besondere Bedeutung. Nur mit der Reduzierung der Bandbreitenanforderungen moderner hochauflösender 4K - Kameras ist der großflächige Einsatz dieser Netzwerkkameras möglich. Der Einsatz von H.265 erfordert eine bis zu 3- bis 5-mal höhere Rechenleistung als der Vorgänger H.264. Die erwartete Halbierung des Bandbreiten-/Speicherbedarfs tritt nur im Idealfall (ausreichend Licht und wenig Bewegung im Bild) ein. H.265 befindet sich noch in der Entwicklungsphase und die Lizensierung muss noch geklärt werden. Prognosen gehen von einer umfassenden Verfügbarkeit von Netzwerkkameras, Grafikkarten, 4K-Monitore und Videomanagement-Systemen mit H.265-Unterstützung 2017 aus. (Stand Juli 2017).

Zipstream Axis’ Zipstream technology: Die Kameraprozessoren werden immer leistungsfähiger, die Bildraten steigen und das ermöglicht den Einsatz von Analyse-Funktionen in Echtzeit auf den Kameras. Axis integriert intelligente Analyse-Funktionen in Zipstream um Bildbereiche von besonderem Interesse wie Gesichter, Tatoos, Nummernschilder oder Bereiche mit Bewegung in den Kamerabildern zu erkennen. Die Bildbereiche von Interesse werden mit einer hohen Priorität eingestuft und werden in höchster Bildqualität mit geringer oder ohne Kompression übetragen. Bildbereiche mit geringerer Priorität und von wenig Interesse wie z.B. eine Mauer im Hintergrund oder Landschaft werden hingegen stark komprimiert. Im Ergebnis der Zipstream-Technologie gibt Axis eine bis zu 50% Einsparung an Bandbreiten- und Speicherbedarf an. Zipstream ist voll kompatibel zum weitverbreiteten H.264. Zipstream wird per Firmware-Update auf den aktuellen Kameras Axis Q1615, Q1635, und die Netzwerkkamera -Serie Axis Q35 geladen und in allen neu entwickelten Axis-Kameras, auch bei den neuen Kameras der AXIS COMPANION LINE, verfügbar.(Stand September 2016).
Tipp: Der Feind aller Datenkompression ist das Bild-Rauschen. Hier hilft nur ausreichend Licht u.a. von IR-Strahlern oder der Einsatz von Wärmebildkameras.

Bildverbesserung durch Erhöhung der Auflösung