Полоса пропускания является наиболее важным элементом сети Ethernet для систем видеонаблюдения. Без тщательного предварительного планирования системы видеонаблюдения могут оказаться узким местом в пропускной способности. Это не только приводит к потере видеопакетов, задержке или дрожанию, но также ухудшает качество видео или, что еще хуже, препятствует записи критических инцидентов. Пропускная способность также определяет требования к емкости хранилища для заданного периода хранения. Понимание пропускной способности видео требует глубоких знаний в нескольких областях. Эта техническая заметка интернирована, чтобы предоставить фундаментальные знания о том, что влияет на производительность систем видеонаблюдения.

Биты и байты используют одну и ту же букву для краткой ссылки. Единственная разница в том, что биты используют строчную букву «b», а байты используют прописную букву «B». Вы можете запомнить это, вспомнив, что байты «больше», чем биты. Мы видим, что люди часто путают это, потому что на первый взгляд они похожи. Например, 100 Кб/с и 100 Кб/с, последнее в 8 раз больше, чем первое.
Мы рекомендуем вам использовать биты при описании пропускной способности системы видеонаблюдения, но помните, что некоторые люди, часто со стороны сервера/хранилища, будут использовать байты. Из-за этого будьте начеку и запрашивайте подтверждение, если есть какая-либо неясность (например, «Извините, вы сказали X бит или байтов»).

килобиты, мегабиты и гигабит
Для отправки видео требуется много битов (или байтов). На практике у вас никогда не будет видеопотока со скоростью 500 или даже 500 бит/с. Видео обычно требует как минимум тысячи или миллионы битов. Для агрегированных видеопотоков часто требуются миллиарды битов.
Общие выражения/префиксы для выражения большой пропускной способности:

• Килобиты — это тысячи, например, 500 Кбит/с равно 500,000 XNUMX бит/с. Отдельный видеопоток в килобитах имеет тенденцию быть либо с низким разрешением, либо с низким кадром, либо с высоким сжатием (или со всем вышеперечисленным).

• Мегабиты — это миллионы, например, 5 Мбит/с равно 5,000,000 1 2 бит/с. Видеопоток отдельной IP-камеры, как правило, измеряется однозначной цифрой в мегабитах (например, 4 Мбит/с, 10 Мбит/с или 4 Мбит/с — довольно распространенные диапазоны). Скорость более 20 Мбит/с для отдельного видеопотока встречается реже, хотя и не исключена для моделей со сверхвысоким разрешением (30K, 100MP, 200MP и т. д.). Однако для одновременной потоковой передачи со 300 камер обычно может потребоваться скорость XNUMX Мбит/с или XNUMX Мбит/с и т. д.

• Гигабиты — это миллиарды, например, 5 Гбит/с равно 5,000,000,000 XNUMX XNUMX XNUMX бит/с. Для видеонаблюдения редко требуется полоса пропускания более гигабита, если только у вас нет очень крупномасштабной системы видеонаблюдения, передающей все видео на центральный узел.

Битовые ставки

Системы видеонаблюдения Пропускная способность подобна скорости автомобиля. Это скорость во времени. Точно так же, как вы можете сказать, что едете со скоростью 60 миль в час (или 96 км/ч), вы можете сказать, что пропускная способность камеры составляет 600 Кбит/с, т. е. что 600 килобит передается в секунду.

Битрейт всегда выражается как данные (биты или байты) за секунду. Поминутная или часовая не применимы, прежде всего потому, что сетевое оборудование оценивается как то, что устройство может обрабатывать в секунду.

Сжатие видео и пропускная способность

Сжатие видео в системах видеонаблюдения — это процесс кодирования видеофайла таким образом, чтобы он занимал меньше места, чем исходный файл, и его было легче передавать по сети/Интернету. Это метод сжатия, который уменьшает размер форматов видеофайлов за счет удаления избыточных и нефункциональных данных из исходного видеофайла.

После сжатия видео его исходный формат изменяется на другой формат (в зависимости от используемого кодека). Видеопроигрыватель должен поддерживать этот видеоформат или быть интегрирован с кодеком сжатия для воспроизведения видеофайла.

Motion JPEG

Motion JPEG (M-JPEG или MJPEG) — это Формат сжатия видео в котором каждый видеокадр or Чересстрочная поле цифровое видео последовательность сжатый отдельно как JPEG изображение.

Первоначально разработанный для мультимедийных ПК-приложений, Motion JPEG имеет широкую клиентскую поддержку: большинство основных веб-браузеров и проигрывателей имеют встроенную поддержку, а для остальных доступны подключаемые модули. Программное обеспечение и устройства, использующие стандарт M-JPEG, включают веб-браузеры, медиаплееры, игровые приставки, цифровые камеры, IP-камеры, веб-камеры, серверы потоковой передачи, видеокамеры и нелинейные видеоредакторы.

H.264

H.264, также известный как MPEG-4 AVC, представляет собой стандарт сжатия, который был представлен в 2003 году и является распространенным стандартом, используемым в камерах систем видеонаблюдения и во многих коммерческих медиа-приложениях. В отличие от покадрового подхода MJPEG, H.264 сохраняет полный кадр только с интервалами, например, один раз в секунду, а остальные кадры кодирует только с различиями, вызванными движением в видео. Полные кадры называются I-кадрами (также индексными кадрами или внутрикадрами), а частичные кадры, содержащие только разницу с предыдущими кадрами, называются P-кадрами (также прогнозируемыми кадрами или промежуточными кадрами). P-кадры меньше и многочисленнее, чем I-кадры. Существует также B-кадр (двунаправленный кадр), который ссылается в обоих направлениях на предыдущий и последующий кадры для изменений. Повторяющийся шаблон кадров IPB называется группой изображений (GOP). Временной интервал для I-кадров варьируется и может варьироваться от нескольких раз в секунду до почти минуты. Чем больше передается I-кадров, тем больше будет видеопоток, но это упрощает перезапуск декодирования потока, поскольку это может произойти только в I-кадре.

H.265

Высокоэффективное кодирование видео (HEVC), также известное как H.265 и MPEG-H, часть 2, представляет собой стандарт сжатия видео, разработанный в рамках проекта MPEG-H в качестве преемника широко используемого расширенного кодирования видео (AVC, H.264 или MPEG-4, часть 10). По сравнению с AVC, HEVC обеспечивает лучшее сжатие данных на 25–50 % при том же уровне качества видео или значительно улучшенное качество видео при той же скорости передачи данных. Он поддерживает разрешения до 8192 × 4320, включая 8K UHD, и, в отличие от преимущественно 8-битного AVC, профиль Main 10 с более высокой точностью HEVC был включен почти во все вспомогательное оборудование.

H.264 vs H.265 H.265 является более продвинутым, чем H.264, по разным причинам. Самая большая разница здесь заключается в том, что H.265/HEVC позволяет использовать файлы ваших прямых видеопотоков еще меньшего размера. Это значительно снижает требуемую пропускную способность. Затем еще одним преимуществом H.265 является тот факт, что он обрабатывает данные в единицах дерева кодирования. Хотя размеры макроблоков могут варьироваться от 4×4 до 16×16, CTU могут обрабатывать блоки размером до 64×64. Это позволяет H.265 более эффективно сжимать информацию. Дополнительно, H.265 также имеет улучшенную компенсацию движения и пространственное предсказание, чем H.264. Это весьма полезно для ваших зрителей, поскольку их устройствам потребуется меньшая пропускная способность и вычислительная мощность для распаковки всей информации и просмотра потока.

Постоянная и переменная скорость передачи данных (CBR и VBR)

Битрейт измеряет количество данных, передаваемых за определенный период времени. В потоковом онлайн-видео битрейт видео измеряется в килобитах в секунду или кбит/с. Битрейт влияет на качество видео. Потоковая передача с более высоким битрейтом помогает создавать потоки более высокого качества.

Битрейт также важен на этапе кодирования или транскодирования процесса потоковой передачи, поскольку он также связан с передачей данных.

Постоянный битрейт

При настройке камеры для CBR камера настроена на постоянное потребление полосы пропускания. Степень применяемого сжатия увеличивается по мере того, как происходит больше изменений. Это может добавить артефакты сжатия к изображению и ухудшить качество изображения. С CBR качество изображения будет принесено в жертву для достижения цели пропускной способности. Если цель установлена ​​разумно, это ухудшение может быть едва заметным, и это дает стабильную основу для расчета хранилища и планирования сети. Для IP-камер видеонаблюдения, установленных в локальной сети (LAN) с низким уровнем использования сети или при наличии большого объема памяти, рекомендуется использовать VBR для обеспечения наилучшего качества изображения, тогда как CBR может помочь контролировать среды с ограниченной пропускной способностью.

Переменный битрейт

Силу каждого метода сжатия можно регулировать. Как правило, более высокое сжатие вызывает больше артефактов, поэтому существуют разные стратегии для достижения желаемого поведения. Когда используется сжатие VBR, размер сжатого потока может изменяться для поддержания постоянного качества изображения. Таким образом, VBR может быть более подходящим, когда в сцене есть движение, и оно не является постоянным. Недостатком является то, что пропускная способность может в определенной степени варьироваться в зависимости от ситуации. Таким образом, хранилище может быть израсходовано раньше, чем планировалось, или могут возникнуть узкие места при передаче, когда камерам внезапно потребуется более высокая пропускная способность. В VBR нет жесткого ограничения на битрейт. Пользователь устанавливает определенный целевой битрейт или уровень качества изображения.

В некоторых системах записи уровень сжатия VBR может быть установлен на Extra High, High, Normal, Low и Extra Low.

Потребление пропускной способности камеры

Вот несколько распространенных причин потребления пропускной способности камеры:

Постановления: чем больше разрешение, тем больше пропускная способность.

Частота кадров: Чем больше частота кадров, тем больше пропускная способность.

Сложность сцены: чем больше активности в сцене (много машин и движущихся людей по сравнению с отсутствием людей), тем больше требуется пропускная способность.

низкой освещенности: Ночное время часто, но не всегда, требует большей пропускной способности из-за шума от камер.

Разрешение видео

Каждая камера в системах видеонаблюдения имеет датчик изображения. Доступные пиксели слева направо обеспечивают горизонтальное разрешение, а пиксели сверху вниз обеспечивают вертикальное разрешение. Умножьте два числа на общее разрешение этого датчика изображения.

Предполагая 24 бита для значений цвета RGB пикселя:

1920(Г) x 1080(В) = 2,073,600 2.0 24 пикселей = 48 Мп x XNUMX бита = XNUMX Мбит/с

4096(Г) x 2160(В) = 8,847,360 8.0 24 пикселей = 192 Мп x XNUMX бита = XNUMX Мбит/с

Таким образом, разрешение 4096 x 2160 требует большей пропускной способности, так как содержит больше пикселей или, проще говоря, больше данных. Но он дает более четкие и четкие изображения, когда это необходимо для идентификации объекта, лица или модели автомобиля, а также его цвета или номерного знака. И наоборот, более низкое разрешение создает меньшую полосу пропускания, но взамен получается менее четкое и размытое изображение. Более низкое разрешение обычно дает операторам наблюдения ситуационную осведомленность — они видят то, что происходит, а не детали.

Разрешение — не единственное, что определяет четкость изображения. Оптические характеристики объектива, фокусное расстояние (оптический зум), расстояние до объекта, условия освещения, грязь и погода также являются критическими факторами.

Частота кадров

Частота кадров в системах видеонаблюдения измеряется в кадрах в секунду (FPS), что означает количество изображений, создаваемых за секунду. Чем выше частота кадров, тем плавнее движется объект на видео. Чем ниже частота кадров, тем более прерывистыми становятся движения, вплоть до момента, когда объекты прыгают из положения в положение, теряя что-либо промежуточное. Пропускная способность увеличивается с частотой кадров. Половина частоты кадров обычно не уменьшает полосу пропускания наполовину, потому что страдает эффективность кодирования. Современные камеры наблюдения могут генерировать до 60 FPS. Однако ограничения ЦП иногда ограничивают FPS до более низкого значения, когда разрешение установлено слишком высоко. Поиск оптимальной настройки FPS для сцены — это компромисс между целями: захват всей важной информации без потери важных деталей между кадрами и соображениями пропускной способности. Если камера следит за тихим обзором, до 30 кадров в секунду доводить не нужно. Достаточно настройки от 5 до 15 кадров в секунду. Как правило, чем быстрее происходят изменения или чем быстрее ожидается движение объекта, тем выше должен быть установлен FPS. Отрегулируйте FPS после установки камер и отслеживайте, является ли плавность видео приемлемой или нет.

Сложность сцены

Сложность сцены также влияет на полосу пропускания, генерируемую видеокамерой. Как правило, чем сложнее сцена, тем больше пропускной способности потребуется для достижения определенного качества изображения. Например, сцены с листьями деревьев, проволочным ограждением или случайными текстурами, такими как потолки из попкорна, усложняют сцену. Другие, такие как обычная однотонная окрашенная стена или небольшая деталь, считаются простой сценой. Точно так же движение или движение увеличивает сложность. Проходящие мимо люди, проезжающие машины или листья деревьев на ветру — вот примеры.

Количество камер и клиентов Количество камер влияет на требования к полосе пропускания для систем видеонаблюдения. Если все камеры одинаковы, то удвоение номеров камер приведет к удвоению генерируемых данных. Чтобы поддерживать масштабируемость системы, она должна иметь возможность разбивать большие топологии на более мелкие управляемые разделы. Структурируя систему в многоуровневой и распределенной архитектуре, можно поддерживать масштабируемость в большом диапазоне величин. Ключевым моментом является распределение пропускной способности, чтобы избежать узких мест. Более подробная информация будет обсуждаться в разделе «Узкие места в пропускной способности». Количество просмотренных клиентов Вышеприведенное обсуждение относится к полосе пропускания камеры, подаваемой на записывающее устройство. Это только одна сторона картины, где другая сторона подключает рекордеры к клиентам, которые смотрят живое или воспроизводимое видео. Например, может быть группа безопасности, которая постоянно следит за камерами 24 часа в сутки, семь дней в неделю. Эта пропускная способность будет равна всем данным, поступающим с камер. В случае воспроизведения требуется еще большая пропускная способность, если она используется в дополнение к прямой трансляции. Учитывая, что к системе может одновременно подключаться много клиентов, основной проблемой может быть трафик на стороне клиента.