آشنایی با فشرده‌سازی H.265+ در دوربین مداربسته

فشرده‌سازی H.265+ دوربین مداربسته چیست؟

وقتی صحبت از ارسال و انتقال تصاویر ویدئویی به میان می‌آید، ناگزیر با مشکل حجم بالای این اطلاعات در هنگام انتقال مواجه می‌شویم. این امر می‌تواند یک سیستم مداربسته را از جهات مختلف دچار محدودیت کند. از جمله می‌توان به تحمیل هزینه‌هایی مانند فضای ذخیره‌سازی و پهنای باند اشاره کرد. این مسائل خود نیز می‌توانند دلیل عدم گسترش تکنولوژی HD علیرغم محبوبیت زیاد آن باشند. زیرا هر چه کیفیت تصاویر بالاتر باشد، حجم آنها نیز بیشتر می‌شود. به همین دلیل برای دسترسی به تصاویری با کیفیت HD و Ultra-HD نیازمند راهکارهای دیگری خواهید بود.

راهکارهای زیادی برای کاهش حجم تصاویر و سایر اطلاعات مرتبط وجود دارند. این راهکارها در دسته فناوری‌های فشرده‌سازی ویدئویی قرار می‌گیرند که می‌توان برای مثال به MPEG، JPEG، H.264 و … اشاره کرد. هر کدام از این روش‌ها با کاهش برخی از پارامترهای تکراری و غیرضروری در تصویر، با حفظ کیفیت آن، اقدام به کاهش حجم تصاویر می‌کنند.

از جمله جدیدترین این روش‌ها می‌توان به روش H.265+ ابداعی شرکت هایک‌ویژن اشاره کرد که مختص سیستم‌های 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 نسخه‌های قبلی، کاهش میزان بیت‌ریت تصاویر و در نتیجه کاهش مصرف پهنای باند است. H.265+ از طریق کاهش چشمگیر نرخ بیت‌ریت در تصاویر ویدئویی مستقیماً منجر به کاهش هزینه‌های مربوط به پهنای باند در دوربین مداربسته و فضای ذخیره‌سازی می‌گردد.

نحوه عملکرد H.265+

اساس کارکرد این فناوری با در نظر گرفتن سه مورد زیر است:

• معمولاً ممکن است اشیاء متحرک فقط چندین بار در یک بخش با اهمیت از تصاویر ظاهر شوند، پس بسیاری از فریم‌ها تکراری خواهند بود.
• تمرکز بیننده عمدتاً بر روی اجسام متحرک است، بنابراین قسمت‌های دیگر تصویر کمتر جلب توجه می‌کنند.
• دو عامل کارکرد نظارتی ۲۴ ساعته و دیگری وجود نویز در سیستم‌های مداربسته هر کدام بر کیفیت تصاویر تأثیرگذار هستند.

نحوه عملکرد H.265+ به شرح زیر است:

۱. ابتدا تصویری از محیط مورد نظر گرفته، و از آن به عنوان فریم پس‌زمینه استفاده می‌کند. در این تصویر تمرکز اصلی بر روی اشیاء متحرک خواهد بود.

۲. هنگامی که سوژه متحرکی وارد این فریم گردد، H.265+ تصویری از جسم متحرک را انتخاب کرده و از آن به عنوان فریم مرجع استفاده می‌کند.

۳. چنانچه سوژه به حرکت خود ادامه دهد، سیستم فقط اطلاعات مربوط به سوژه متحرک را در هر فریم اضافه می‌کند و باقی اطلاعات تکراری را حذف می‌کند.

از لحاظ علمی، فشرده‌سازی H.265+ دارای سه مرحله کلیدی زیر است:

۱. تکنولوژی کدگذاری طبق مدل پس‌زمینه

همانطور که می‌دانید فرمت‌های مختلفی از فشرده‌سازی تصاویر اعم از MPEG2، MPEG4، H.264 و … وجود دارند که اساس کار آنها بر پایه کدگذاری ترکیبی است. مبنای کار فشرده‌سازی در این فرمت‌ها بدین گونه است که معمولاً یک فریم را به عنوان فریم مرجع در نظر می‌گیرند. در این فریم، اطلاعات پس‌زمینه معمولاً ثابت هستند و از فریم مرجع برای کدگذاری سایر فریم‌ها استفاده می‌گردد که در مجموع منجر به فشرده‌سازی بهتر کلیه تصاویر می‌شود. اما در H.265+ روش کدگذاری تفاوت‌هایی دارد که یکی از مراحل آن کدگذاری بر اساس مدل پس‌زمینه است. این مرحله خود به دو بخش کدگذاری داخلی و میانی تقسیم می‌شود:

• رمزگذاری داخلی (Inter-frame prediction): در این نوع کدگذاری تلاش می‌شود تا با از بین بردن اطلاعات تکراری در فریم‌های مجاور، میزان فشرده‌سازی افزایش یابد. یک فریم کدگذاری‌شده داخلی به بلوک‌هایی تقسیم بندی می‌گردد که به آنها ماکرو بلوک گفته می‌شود. پس از آن، به جای اینکه مستقیماً محتویات پیکسل‌ها در هر بلوک کدگذاری شوند، رمزگذار تلاش خواهد کرد که بلوکی مشابه را که یک بار قبلاً کدگذاری شده است از فریم قبلی پیدا کند و از آن به عنوان فریم مرجع استفاده کند.
• رمزگذاری میانی (Intra-frame prediction): این روش از مدل افزونگی فضایی استفاده می‌کند. در این روش تلاش می‌شود که در میان پیکسل‌های یک فریم ارتباط ایجاد شود. این کار از طریق محاسبه میزان اطلاعات کدگذاری‌شده از طریق استخراج پیکسل‌هایی انجام می‌شود که قبلاً کدگذاری شده‌اند. همتای این روش کدگذاری داخلی است که از مدل افزونگی زمانی استفاده می‌کند.

۲. تکنولوژی کاهش نویز در پس‌زمینه تصویر

نویز در تصاویر یکی از مشکلات معمول در تصاویر دوربین‌های مداربسته است. وجود نویز در تصاویر می‌تواند دلایل متعددی داشته باشد که از جمله می‌توان به عدم وجود روشنایی کافی در محیط اشاره کرد. نویز نه تنها کیفیت تصاویر را کاهش می‌دهد، بلکه میزان زیادی از بیت‌ریت کدگذاری‌شده را نیز اشغال می‌کند. از این رو باید تا جای ممکن از آن جلوگیری کرد و یا آن را کاهش داد. روش‌هایی که قبلاً برای کاهش میزان نویز در تصاویر مورد استفاده قرار می‌گرفت، اغلب روش‌هایی کلی بود که منجر به حذف جزئیات در تصاویر می‌شد و از این جهت کارایی بالایی نداشتند.

اما در فشرده‌سازی H.265+ هایک‌ویژن، روش کار بدین صورت است که ابتدا سوژه‌های متحرک را از پس‌زمینه تصویر جدا کرده و برای دو قسمت پس‌زمینه و سوژه از روش‌های جداگانه‌ای برای کاهش نویز استفاده می‌کند. بدین ترتیب نه تنها میزان نویز در تصویر کاهش می‌یابد، بلکه کیفیت آنها نیز کاهش نمی‌یابد. کدک H.265+ دارای یک الگوریتم تحلیلی هوشمندی است که می‌تواند بین تصویر پس‌زمینه و اجسام متحرک تمایز قائل شود. این به این معنی است که اشیاء متحرک و پس‌زمینه را می‌توان با استراتژی‌های مختلفی کدگذاری کرد.

۳. تکنولوژی کنترل نرخ بیت‌ریت

این تکنولوژی با متوسط نرخ بیت در طول دوره‌های مختلف (معمولاً ۲۴ ساعت) مرتبط است. با کنترل میانگین نرخ بیت، دوربین می‌تواند در صورت لزوم میزان بیت‌ریت بیشتری داشته باشد. برای مثال در ساعات کاری در یک دفتر اداری بیت‌ریت بالا، و سپس در زمانی که دفتر بسته است و جمعیت سوژه کاهش می‌یابد، بیت‌ریت پایینی داشته باشد.