Przepustowość jest najważniejszym elementem sieci Ethernet w systemach nadzoru wideo. Bez starannego planowania z wyprzedzeniem systemy nadzoru wideo mogą stworzyć wąskie gardło w zakresie przepustowości. Powoduje to nie tylko utratę pakietów wideo, opóźnienia lub drgania, ale także pogarsza jakość wideo lub, co gorsza, utrudnia nagrywanie krytycznych zdarzeń. Przepustowość określa również wymagania dotyczące pojemności pamięci dla danego okresu przechowywania. Zrozumienie przepustowości wideo wymaga dogłębnej wiedzy z kilku dziedzin. Niniejsza notatka techniczna została internowana, aby zapewnić podstawową wiedzę na temat czynników wpływających na działanie systemów nadzoru wideo.

Zarówno bity, jak i bajty używają tej samej litery w skrócie. Jedyna różnica polega na tym, że w bitach używana jest mała litera „b”, a w bajtach wielka litera „B”. Możesz o tym pamiętać, przypominając sobie, że bajty są „większe” niż bity. Widzimy, że ludzie często mylą te pojęcia, ponieważ na pierwszy rzut oka wyglądają podobnie. Na przykład 100 Kb/s i 100 KB/s, ta druga jest 8 razy większa niż pierwsza.
Zalecamy używanie bitów przy opisywaniu przepustowości systemu nadzoru wideo, ale należy pamiętać, że niektóre osoby, często po stronie serwera/magazynu, będą używać bajtów. Z tego powodu zachowaj czujność i poproś o potwierdzenie, jeśli są jakieś niejasności (np. „Przepraszam, powiedziałeś X bitów lub bajtów”).

Kilobity, megabity i Gigabity
Wysłanie pliku wideo wymaga dużej liczby bitów (lub bajtów). W praktyce nigdy nie będziesz mieć strumienia wideo o szybkości 500b/s, a nawet 500B/s. Wideo zazwyczaj wymaga co najmniej tysięcy lub milionów bitów. Zagregowane strumienie wideo często wymagają miliardów bitów.
Typowe wyrażenia/przedrostki służące do wyrażania dużej przepustowości to:

• Kilobity to tysiące, np. 500 Kb/s równa się 500,000 XNUMX b/s. Pojedynczy strumień wideo w kilobitach ma zwykle niską rozdzielczość, małą liczbę klatek lub wysoką kompresję (lub wszystkie powyższe).

• Megabity to miliony, np. 5 Mb/s równa się 5,000,000 1 2 b/s. Pojedynczy strumień wideo z kamery IP ma zazwyczaj jednocyfrową wielkość w megabitach (np. 4 Mb/s, 10 Mb/s lub 4 Mb/s to dość powszechne zakresy). Prędkość większa niż 20 Mb/s dla pojedynczego strumienia wideo jest mniej powszechna, choć nie jest niemożliwa w modelach o bardzo wysokiej rozdzielczości (30K, 100 MP, 200 MP itp.). Jednak jednoczesne przesyłanie strumieniowe 300 kamer może rutynowo wymagać szybkości XNUMX Mb/s lub XNUMX Mb/s itp.

• Gigabity to miliardy, np. 5 Gb/s równa się 5,000,000,000 XNUMX XNUMX XNUMX b/s. Rzadko kiedy potrzeba więcej niż gigabita przepustowości do nadzoru wideo, chyba że ma się system nadzoru wideo na bardzo dużą skalę, przesyłający cały obraz do lokalizacji centralnej.

Szybkości transmisji

Systemy nadzoru wideo Ivideo Przepustowość jest jak prędkość pojazdu. Jest to stopa rozłożona w czasie. Tak jak można powiedzieć, że jechałeś z prędkością 60 mil na godzinę (lub 96 km/h), można powiedzieć, że przepustowość kamery wynosi 600 Kb/s, co oznacza, że ​​w ciągu sekundy przesłano 600 kilobitów.

Szybkości transmisji są zawsze wyrażane jako dane (bity lub bajty) w ciągu sekundy. Wartości na minutę ani na godzinę nie mają zastosowania, głównie dlatego, że sprzęt sieciowy jest oceniany na podstawie tego, co urządzenie może obsłużyć w ciągu sekundy.

Kompresja wideo i przepustowość

Kompresja wideo w systemach nadzoru wideo to proces kodowania pliku wideo w taki sposób, aby zajmował mniej miejsca niż plik oryginalny i był łatwiejszy do przesłania przez sieć/Internet. Jest to rodzaj techniki kompresji, która zmniejsza rozmiar formatów plików wideo poprzez eliminację zbędnych i niefunkcjonalnych danych z oryginalnego pliku wideo.

Po skompresowaniu wideo jego oryginalny format zostaje zmieniony na inny format (w zależności od użytego kodeka). Aby odtworzyć plik wideo, odtwarzacz wideo musi obsługiwać ten format wideo lub być zintegrowany z kodekiem kompresującym.

Motion JPEG

Motion JPEG (M-JPEG lub MJPEG) to plik format kompresji wideo w którym każdy ramka wideo or z przeplotem pole A cyfrowe wideo kolejność jest sprężony osobno jako a JPEG obraz.

Pierwotnie opracowany dla multimedialnych aplikacji komputerowych, Motion JPEG cieszy się szeroką obsługą klientów: większość głównych przeglądarek internetowych i odtwarzaczy zapewnia natywną obsługę, a dla pozostałych dostępne są wtyczki. Oprogramowanie i urządzenia korzystające ze standardu M-JPEG obejmują przeglądarki internetowe, odtwarzacze multimedialne, konsole do gier, aparaty cyfrowe, kamery IP, kamery internetowe, serwery przesyłania strumieniowego, kamery wideo i nieliniowe edytory wideo

H.264

H.264, nazywany także MPEG-4 AVC, to standard kompresji wprowadzony w 2003 roku i powszechnie stosowany w kamerach systemów nadzoru wideo i wielu komercyjnych zastosowaniach medialnych. W przeciwieństwie do metody MJPEG klatka po klatce, H.264 przechowuje pełną klatkę tylko w odstępach np. raz na sekundę, a pozostałe klatki koduje tylko z różnicami spowodowanymi ruchem w filmie. Klatki pełne nazywane są klatką I (również klatką indeksową lub klatką międzyklatkową), a klatki częściowe zawierające jedynie różnicę w stosunku do klatki poprzedniej nazywane są klatką P (również klatką przewidywaną lub klatką międzyklatkową). Ramki P są mniejsze i liczniejsze niż ramki I. Istnieje również ramka B (ramka dwukierunkowa), która odsyła w obie strony do poprzednich i kolejnych klatek w celu wprowadzenia zmian. Powtarzający się wzór ramek IPB nazywany jest grupą obrazów (GOP). Odstęp czasu dla klatek I jest różny i może wahać się od kilku razy na sekundę do prawie minuty. Im więcej klatek I jest przesyłanych, tym większy będzie strumień wideo, ale ułatwia to ponowne dekodowanie strumienia, ponieważ może się to zdarzyć tylko w przypadku klatki I.

H.265

High-Efficiency Video Coding (HEVC), znany również jako H.265 i MPEG-H część 2, to standard kompresji wideo opracowany w ramach projektu MPEG-H jako następca powszechnie stosowanego zaawansowanego kodowania wideo (AVC, H .264 lub MPEG-4 część 10). W porównaniu do AVC, HEVC oferuje od 25% do 50% lepszą kompresję danych przy tym samym poziomie jakości wideo lub znacznie lepszą jakość wideo przy tej samej przepływności. Obsługuje rozdzielczości do 8192 × 4320, w tym 8K UHD, i w przeciwieństwie do głównie 8-bitowego AVC, profil Main 10 HEVC o wyższej wierności został wbudowany w prawie cały sprzęt obsługujący.

H.264 vs H.265 H.265 jest bardziej zaawansowany niż H.264 z różnych powodów. Największą różnicą jest to, że H.265/HEVC pozwala na jeszcze mniejsze rozmiary plików strumieni wideo na żywo. To znacznie zmniejsza wymaganą przepustowość. Kolejną zaletą H.265 jest fakt, że przetwarza dane w jednostkach drzewa kodowania. Chociaż makrobloki mogą mieć rozmiary bloków od 4 × 4 do 16 × 16, jednostki CTU są w stanie przetwarzać bloki do 64 × 64. Dzięki temu H.265 może efektywniej kompresować informacje. do tego, H.265 ma również lepszą kompensację ruchu i przewidywanie przestrzenne niż H.264. Jest to bardzo pomocne dla Twoich widzów, ponieważ ich urządzenia będą wymagały mniejszej przepustowości i mocy obliczeniowej, aby zdekompresować wszystkie informacje i obejrzeć transmisję.

Stała i zmienna przepływność (CBR i VBR)

Bitrate mierzy ilość danych przesyłanych w określonym czasie. W przypadku strumieniowego przesyłania wideo online szybkość transmisji wideo jest mierzona w kilobitach na sekundę, czyli kb/s. Szybkość transmisji wpływa na jakość wideo. Przesyłanie strumieniowe z wyższą przepływnością pomaga tworzyć strumienie o wyższej jakości.

Szybkość transmisji jest również ważna na etapie kodowania lub transkodowania procesu przesyłania strumieniowego, ponieważ ten również dotyczy przesyłania danych.

Stała szybkość transmisji

Podczas konfigurowania kamery do CBR kamera jest ustawiona na stałe wykorzystanie przepustowości. Stopień zastosowanej kompresji wzrasta w miarę pojawiania się większej liczby zmian. Może to spowodować dodanie artefaktów kompresji do obrazu i pogorszenie jego jakości. W przypadku CBR jakość obrazu zostanie poświęcona, aby osiągnąć docelową przepustowość. Jeśli cel zostanie rozsądnie ustalony, degradacja ta może być ledwo zauważalna i daje stabilną podstawę do obliczania pamięci masowej i planowania sieci. W przypadku kamer monitorujących IP zainstalowanych w sieci lokalnej (LAN) o niskim obciążeniu sieci lub w przypadku dużej ilości miejsca na dysku zaleca się stosowanie VBR w celu utrzymania najlepszej jakości obrazu, natomiast CBR może pomóc w kontrolowaniu środowisk o ograniczonej przepustowości.

Zmienna szybkość transmisji

Siłę każdej metody kompresji można regulować. Ogólnie rzecz biorąc, wyższa kompresja powoduje więcej artefaktów, dlatego istnieją różne strategie osiągnięcia pożądanego zachowania. Gdy używana jest kompresja VBR, rozmiar skompresowanego strumienia może się zmieniać, aby zachować stałą jakość obrazu. Zatem VBR może być bardziej odpowiedni, gdy w scenie występuje ruch i zwykle nie jest on stały. Wadą jest to, że przepustowość może się w pewnym stopniu różnić w zależności od sytuacji. W związku z tym pamięć może zostać wykorzystana wcześniej niż planowano lub mogą pojawić się wąskie gardła w transmisji, gdy kamery nagle będą wymagać większej przepustowości. W VBR nie ma stałego ograniczenia przepływności. Użytkownik ustawia określoną docelową przepływność lub poziom jakości obrazu.

W niektórych systemach rejestratorów poziom kompresji VBR można ustawić na Bardzo wysoki, Wysoki, Normalny, Niski i Bardzo niski.

Zużycie przepustowości kamery

Oto kilka typowych czynników wpływających na zużycie przepustowości kamery:

Rozkład: Im większa rozdzielczość, tym większa przepustowość.

Częstotliwość wyświetlania klatek: Im większa liczba klatek na sekundę, tym większa przepustowość

Złożoność sceny: Im więcej aktywności na scenie (dużo samochodów i ludzi w ruchu lub nikt na scenie), tym większa wymagana przepustowość.

słabym oświetleniu: W nocy często, ale nie zawsze, wymagana jest większa przepustowość ze względu na zakłócenia powodowane przez kamery.

Rozdzielczość wideo

Każda kamera w systemach monitoringu wideo posiada przetwornik obrazu. Dostępne piksele od lewej do prawej zapewniają rozdzielczość poziomą, natomiast piksele od góry do dołu zapewniają rozdzielczość pionową. Pomnóż te dwie liczby, aby uzyskać całkowitą rozdzielczość tego czujnika obrazu.

Zakładając, że wartości kolorów RGB piksela mają 24 bity:

1920 (wys.) x 1080 (pion.) = 2,073,600 2.0 24 pikseli = 48 MP x XNUMX bity = XNUMX Mbit/s

4096 (wys.) x 2160 (pion.) = 8,847,360 8.0 24 pikseli = 192 MP x XNUMX bity = XNUMX Mbit/s

Dlatego rozdzielczość 4096 x 2160 wymaga większej przepustowości, ponieważ zawiera więcej pikseli, czyli po prostu więcej danych. Zapewnia jednak wyraźniejsze i ostrzejsze zdjęcia, gdy jest to konieczne do zidentyfikowania obiektu, twarzy lub modelu samochodu i jego koloru lub tablicy rejestracyjnej. I odwrotnie, niższa rozdzielczość generuje mniejszą przepustowość, ale kompromisem jest mniej wyraźny i rozmyty obraz. Niższa rozdzielczość zwykle zapewnia operatorom nadzoru świadomość sytuacyjną – pozwala zobaczyć, co się dzieje, a nie szczegóły.

Rozdzielczość nie jest jedyną rzeczą, która decyduje o przejrzystości obrazu. Parametry optyczne obiektywu, ogniskowa (zoom optyczny), odległość od obiektu, warunki oświetleniowe, brud i pogoda są również czynnikami krytycznymi.

Częstotliwość wyświetlania klatek

Liczba klatek na sekundę w systemach nadzoru wideo jest mierzona w klatkach na sekundę (FPS), co oznacza liczbę obrazów generowanych w ciągu sekundy. Im wyższa liczba klatek na sekundę, tym płynniejszy ruch obiektu w filmie. Im niższa liczba klatek na sekundę, tym bardziej gwałtowne stają się ruchy aż do punktu, w którym obiekty przeskakują z pozycji na pozycję, tracąc wszystko pomiędzy. Przepustowość zwiększa się wraz z liczbą klatek na sekundę. Jednak połowa szybkości klatek zwykle nie zmniejsza przepustowości o połowę, ponieważ cierpi na tym wydajność kodowania. Nowoczesne kamery monitorujące mogą generować do 60 kl./s. Jednak ograniczenia procesora czasami ograniczają liczbę klatek na sekundę do niższej wartości, gdy rozdzielczość jest ustawiona na zbyt wysoką. Znalezienie optymalnego ustawienia FPS dla sceny jest kompromisem pomiędzy celami: uchwycenie wszystkich istotnych informacji bez utraty istotnych szczegółów pomiędzy klatkami w porównaniu z kwestiami przepustowości. Jeśli kamera monitoruje cichy podgląd, nie ma potrzeby zwiększania szybkości do 30 kl./s. Wystarczające jest ustawienie od 5 do 15 FPS. Ogólna zasada jest taka, że ​​im szybciej następuje zmiana lub spodziewany jest szybszy ruch obiektu, tym wyższą należy ustawić liczbę klatek na sekundę. Dostosuj liczbę klatek na sekundę po zainstalowaniu kamer i monitoruj, czy płynność wideo jest akceptowalna, czy nie.

Złożoność sceny

Złożoność sceny wpływa również na przepustowość generowaną przez kamerę wideo. Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej złożona jest scena, tym większa przepustowość będzie wymagana do osiągnięcia określonej jakości obrazu. Na przykład sceny zawierające liście drzew, ogrodzenie z drutu lub przypadkowe tekstury, takie jak sufity z popcornu, zwiększają złożoność sceny. Inne, jak zwykła, pomalowana na jednolity kolor ściana lub drobne detale, są uważane za prostą scenę. Podobnie ruch lub ruch zwiększa złożoność. Przykładami są przechodzący ludzie, przejeżdżające samochody lub liście drzew poruszane na wietrze.

Liczba kamer i klientów Liczba kamer wpływa na wymagania dotyczące przepustowości systemów nadzoru wideo. Jeżeli wszystkie kamery są takie same, wówczas dwukrotność numerów kamer podwoi liczbę wygenerowanych danych. Aby zachować skalowalność systemu, musi on być w stanie podzielić duże topologie na łatwiejsze do zarządzania mniejsze partycje. Dzięki ustrukturyzowaniu systemu w architekturze warstwowej i rozproszonej możliwe jest utrzymanie skalowalności w dużym zakresie wielkości. Kluczem jest dystrybucja przepustowości w celu uniknięcia wąskich gardeł. Więcej zostanie omówione w sekcji Wąskie gardła przepustowości. Liczba przeglądających klientów Powyższe omówienie dotyczy przepustowości kamery podawanej do rejestratora. To tylko jedna strona obrazu, gdzie druga strona podłącza rejestratory do klientów oglądających wideo na żywo lub odtwarzających. Na przykład może istnieć zespół ds. bezpieczeństwa, który stale monitoruje kamery 24 godziny na dobę, siedem dni w tygodniu. Ta szerokość pasma byłaby równa wszystkim danym pochodzącym z kamer. W przypadku odtwarzania wymagana jest jeszcze większa przepustowość, jeśli jest ona używana dodatkowo do transmisji strumieniowej na żywo. Biorąc pod uwagę, że do systemu może jednocześnie przyłączać się wielu klientów, dominującym problemem może być ruch po stronie klienta.