وقتی صحبت از ارسال و انتقال تصاویر ویدئویی به میان می آید ناگزیر با مشکل حجم بالای این اطلاعات در هنگام انتقال مواجه می شویم. این امر می تواند یک سیستم مداربسته را از جهات مختلف دچار محدودیت نماید که از جمله می توان به تحمیل هزینه هایی مانند فضای ذخیره سازی و پهنای باند اشاره نمود. این مسائل خود نیز می توانند دلیل عدم گسترش تکنولوژی HD علیرغم محبوبیت زیاد آن باشد. زیرا هر چه کیفیت تصاویر بالاتر باشد حجم آن ها نیز بیشتر می شود. به همین دلیل برای دسترسی به تصاویری با کیفیت HD و ultra-HD نیازمند راهکارهای دیگری خواهید بود.
راهکار های بسیار زیادی برای کاهش حجم تصاویر و سایر اطلاعات مرتبط وجود دارند. که در دسته فناوری های فشرده سازی ویدئویی قرار می گیرند که می توان برای مثال به MPEG، JPEAG، H.264 و … اشاره نمود. هر کدام از این روش ها با کاهش برخی از پارامترهای تکراری و غیرضروری در تصویر با حفظ کیفیت آن اقدام به کاهش حجم تصاویر می نمایند.
از جمله جدیدترین این روش ها می توان به روش H.265+ اشاره نمود که مختص سیستم های مداربسته طراحی شده است. تکنولوژی H.265+ یک الگوریتم هوشمند است که با تبعیت از استاندارد HEVC یا (High Efficiency Video Coding) و یا H.265 طراحی شده است .
اما مهمترین تفاوت موجود در نحوه عملکرد H.265+ نسبت به نسخه های قبلی، کاهش میزان بیت ریت تصاویر (یعنی کاهش تعداد بیت هایی که در یک واحد منتقل یا پردازش می شوند) و در نتیجه کاهش مصرف پهنای باند میزان انتقال داده ها در بیت در ثانیه (بیت / ثانیه) است.
H.265+ از طریق کاهش چشمگیر نرخ بیت ریت در تصاویر ویدئویی مستقیما منجر به کاهش هزینه های مربوط به پهنای باند در دروربین مداربسته و فضای ذخیره سازی می گردد. نحوه عملکرد این فناوری به این صورت است که اطلاعات اصلی در زمینه تصویر پایدار باقی مانده و به ندرت تغییر می کنند. اساس کارکرد آن با در نظر گرفتن 3 مورد زیر است:
- معمولا ممکن است اشیاء متحرک فقط چندین بار در یک بخش با اهمیت از تصاویر ظاهر شوند پس بسیاری از فریم ها تکراری خواهند بود.
- تمرکز بیننده عمدتا بر روی اجسام متحرک است بنابراین قسمت های دیگر تصویر کمتر جلب توجه می کنند.
- دو عامل کارکرد نظارتی 24 ساعته و وجود نویز در سیستم های مداربسته هر کدام بر کیفیت تصاویر تاثیرگذار هستند.
نحوه عملکرد H265+
اما نحوه عملکرد H.265+به شرح زیر است: 1. ابتدا تصویری از محیط مورد نظر گرفته، و از آن به عنوان فریم پس زمینه استفاده می کند. در این تصویر تمرکز اصلی بر روی اشیاء متحرک خواهد بود. 2. هنگامی که سوژه متحرکی وارد این فریم گردد، H265+ تصویری از جسم متحرک را انتخاب نموده و از آن به عنوان فریم مرجع استفاده می کند. 3. چنانچه سوژه به حرکت خود ادامه دهد، سیستم فقط اطلاعات مربوط به سوژه متحرک را در هر فریم اضافه می کند و باقی اطلاعات تکراری را حذف می کند.
از لحاظ علمی فشرده سازی H265+ دارای 3 مرحله کلیدی زیر است:
- تکنولوژی کدگذاری طبق مدل پس زمینه
- تکنولوژی کاهش چشمگیر میزان نویز در تصویر
- تکنولوژی کاهش نرخ بیت
تکنولوژی رمزگذاری بر اساس مدل پس زمینه
همانطور که می دانید فرمت های مختلفی از فشرده سازی تصاویر اعم از MPEG2، MPEG4، H.264 و… وجود دارند که اساس کار در آنها بر پایه کدگذاری ترکیبی است. مبنای کار فشرده سازی در این فرمت ها بدین گونه است که معمولا یک فریم را به عنوان فریم مرجع در نظر می گیرند. در این فریم اطلاعات پس زمینه معمولا ثابت هستند و از فریم مرجع برای کدگذاری سایر فریم ها استفاده می گردد که در مجموع منجر به فشرده سازی بهتر کلیه تصاویر می شود. اما در H.265+ روش کدگذاری تفاوت هایی دارد که یکی از مراحل آن کدگذاری بر اساس مدل پس زمینه است این مرحله خود به دو بخش کدگذاری داخلی و میانی تقسیم بندی می شود:
1. رمزگذاری داخلی (Inter-frame prediction): فریم داخلی فریمی است که در جریان فشرده سازی ویدئویی به عنوان فریم مجاور فریم اصلی بیان می شود. در این نوع کدگذاری تلاش می شود تا با از بین بردن اطلاعات تکراری در فریم های مجاور میزان فشرده سازی افزایش یابد. یک فریم کد گذاری شده داخلی به بلوک هایی تقسیم بندی می گردد که به آنها اصطلاحا ماکرو بلوک گفته می شود. پس از آن، به جای آنکه مستقیما محتویات پیکسل ها در هر بلوک کدگذاری شوند عامل رمزگذار تلاش خواهد کرد که بلوکی مشابه را که یک بار قبلا کدگذاری شده است از فریم قبلی پیدا کند و از آن به عنوان فریم مرجع استفاده کند.
2. رمزگذاری میانی (Intra-frame prediction): این روش از مدل افزونگی فضایی استفاده می کند(افزونگی در سیستم ذخیره سازی به معنای ذخیره سازی همزمان ویدئو یا هر نوع اطلاعات دیگر در چند مکان مختلف و تهیه نسخه پشتیبان از آنها است تا در صورت خرابی از آنها استفاده شود.)
در این روش تلاش می شود که در میان پیکسل های یک فریم ارتباط ایجاد شود و این کار از طریق محاسبه میزان اطلاعات کدگذاری شده از طریق استخراج پیکسل هایی انجام می شود که قبلا کدگذاری شده اند. همتای این روش کدگذاری داخلی است که از مدل افزونگی زمانی استفاده می کند.
تکنولوژی کاهش نویز در پس زمینه تصویر
نویز در تصاویر یکی از مشکلات معمول در تصاویر دوربین های مداربسته است. وجود نویز در تصاویر می تواند دلایل متعددی داشته باشد که از جمله می توان به عدم وجود روشنایی کافی در محیط اشاره نمود. نویز نه تنها کیفیت تصاویر را کاهش می دهد بلکه میزان زیادی از بیت ریت کدگذاری شده را نیز اشغال می کند. از این رو باید تا جای ممکن از آن جلوگیری نمود و یا آن را کاهش داد. روش هایی که قبلا برای کاهش میزان نویز در تصاویر مورد استفاده قرار می گرفت اغلب روش هایی کلی بود که منجر به حذف جزئیات در تصاویر میشد و از این جهت کارایی بالایی نداشتند.
اما در فشرده سازی H.265+ هایک ویژن روش کار بدین صورت است که ابتدا سوژه های متحرک را از پس زمینه تصویر جدا کرده و برای دو قسمت پس زمینه و سوژه از روش های جداگانه ای برای کاهش نویز استفاده می کند. بدین ترتیب نه تنها میزان نویز در تصویر کاهش می یابد بلکه کیفیت آنها نیز کاهش نمی یابد.
کدک H.365 + دارای یک الگوریتم تحلیلی هوشمندی است که می تواند بین تصویر پس زمینه و اجسام متحرک تمایز قائل شود. این به این معنی است که اشیاء متحرک و پس زمینه را می توان با استراتژی های مختلفی کد گذاری کرد.
تکنولوژی کنترل نرخ بیت ریت
این تکنولوژی با متوسط نرخ بیت در طول دوره های مختلف (معمولا 24 ساعت) مرتبط است. با کنترل میانگین نرخ بیت، دوربین می تواند در صورت لزوم میزان بیت ریت بیشتری داشته باشد، برای مثال در ساعات کاری در یک دفتر اداری بیت ریت بالا، و سپس در زمانی که دفتر بسته است و جمعیت سوژه کاهش می یابد، بیت ریت پایینی داشته باشد.
