الگوریتم فشرده سازی H.264 و H.265 چیست و چه اهمیتی دارد؟

اهمیت فشرده سازی تصاویر در دوربین های مدار بسته

امروزه مدیریت فضای ذخیره سازی اطلاعات در صنعت نظارت و دوربین های مدار بسته از اهمیت بالاایی برخوردار است.گاهی زمان اطلاع از وقوع جرم در همان ابتدای امر نیست و ما برای بررسی بیشتر صحنه جرم و افراد مشکوک در روزهای گذشته، نیازمند مشاهده و بررسی اطلاعات قدیمی تری هستیم. با توجه به بالا رفتن وضوح و کیفیت دوربین های مدار بسته، فضای ذخیره سازی اطلاعات و پهنای باند مورد نیاز برای انتقال آن، افزایش یافته است. توسعه دهندگان تکنولوژی دوربین مداربسته برای کاهش حجم تصاویر  و در عین حال، حفظ کیفیت آنها  راهکارهایی برای فشرده سازی بهینه ارائه نموده اند. از جمله این راهکارها استفاده از فرمت های فشرده سازی تصاویر H.264 و  H.265در دوربین های مدار بسته می باشد که در این مقاله به این الگوریتم ها می پردازیم.

فشرده سازی در دوربین های مدار بسته

دوربین های آنالوگ به دلیل عدم وجود پردازنده به تنهایی  قابلیت فشرده سازی تصاویر را ندارند. فشرده سازی این نوع دوربین ها در DVR انجام می گیرد.اما در دوربین های IP ، علاوه بر NVR ها، پردازنده دوربین نیز باید قابلیت فشرده سازی را داشته باشد. نسل اول این دوربین ها  از فرمت های MPEG برای فشرده سازی تصاویر استفاده می کردند.

هر ثانیه ی یک فیلم شامل چندین عکس است که فیلم از نمایش پشت سر هم این مجموعه تصاویر تشکیل شده است.هر کدام از این تصاویر یه فریم نامیده می شود.برای مثال یک فیلم با کیفیت30  فریم بر ثانیه، در هر ثانیه از 30 تصویر مجزا استفاده می کند.این الگوریتم با شناسایی و حذف فریم های مشابه حجم فایل ویدئو های را کاهش می دهد. اما با گذشت زمان و افزایش کیفیت دوربین های نو ظهور، روش های نوین و کارآمدتری جایگزین این الگوریتم شد. یکی از این روش ها الگوریتم H.264 است که باعث کاهش 50 درصدی حجم فایل نسبت به روش MPEG شد.

الگوریتم H.264

شرکت های تولید کننده سیستم های امنیتی و نظارتی پس از چند سال تحقیق و توسعه به الگوریتم H.264 دست یافتند که با استقبال تولید کننده های دوربین مداربسته مواجه شد.به طوری که در حال حاضر  تمام دوربین ها حداقل از روش فشرده سازی H.264 استفاده می کنند. حتی یوتیوب، همه آرشیوهای ویدئویی خود را به ویدئو H.264 سازگار تبدیل کرده است. در نتیجه، این کدک، “استاندارد نسل بعدی در ویدئو های دیجیتال،” لقب گرفت و ضبط کننده ویدئویی دیجیتال و تولید کنندگان  دوربین های IP، بر روی آن تمرکز کرده اند.

به تصویر بالا نگاه کنید در این تصویر به جز شخص متحرک، مابقی تصویر ثابت است.

این الگوریتم هر فریم از تصویر را به خانه هایی با ابعاد ثابت 16*16 پیکسل تقسیم می کند که به هریک از این خانه ها اصلاحاً ماکروبلوک می گویند. الگوریتم H.264 یک فریم با بررسی هر یک از این ماکرو بلوک ها در فریم های متفاوت ، تنها ماکروبلوک های بخش متحرک را ذخیره کرده و ماکروبلوک های بخش ثابت را در یک فریم ذخیره کرده و در مابقی فریم ها تکرار می کند.

برای مثال اگر تنظیمات ذخیره روی 30 فریم در ثانیه باشد این الگوریتم فریم اول را به صورت کامل ذخیره می کند که به آن Entire frame می گویند. ولی در فریم های 2 تا 29 که به آنها Partial frame می گویند تنها ماکروبلوک های بخش متحرک را ذخیره می کند و برای نمایش این فریم ها از ترکیب آنها با فریم اول استفاده می کنند. مشخصا فریم اول به دلیل کامل بودن اطلاعات حجم بیشتری به نسبت سایر فریم ها دارد. مجدداّ فریم 30 شامل تمام اطلاعات خواهد بود و فریم های بعدی تا فریم 59 شامل اطلاعات بخش متحرک خواهد بود.

هر چقدر در فضای مورد بحث، افراد یا اشیاء متحرک کمتری حضور داشته باشند، کاهش حجم بیشتری در تصویر ذخیره شده خواهیم داشت.این الگوریتم در فضاهایی که تردد کمتری دارند، بسیار کارآمد است.

در تصاویر خام هر پیکسل، رنگ متفاوتی دارد و ذخیره رنگ هر پیکسل به صورت مجزا و پیکسل های یک به یک می باشد.این اطلاعات  شامل میزان روشنایی، رنگ و محل پیکسل است که نیازمند فضای بیشتری است.در الگوریتم های سابق با شناسایی پیکسل های مجاور با رنگ مشابه به جای ذخیره رنگ هر پیکسل،رنگ همه ی بخش های مشابه در یک فریم را یکسان در نظر می گرفت. در روش فشرده سازی h.264 علاوه بر تشابه رنگ پیکسل های مجاور در یک فریم، رنگ های مشابه در فریم های بعدی نیز تنها یک بار ذخیره شده و در هنگام نمایش سایر فریم ها، برای تکمیل تصویر، از اطلاعات فریم مرجع استفاده می شود.

در عکس بالا مشاهده می کنید که رنگ بخش زیادی از سقف و کف مشابه یک دیگر است.الگوریتم فشرده سازی رنگ پیکسل های مشابه را ادغام کرده و برای ذخیره اطلاعات رنگ فریم ها همانند روش بالا، یک فریم مرجع و کامل را ذخیره کرده و در فریم های بعدی تنها اختلاف رنگ ها را ذخیره خواهد کرد.

الگوریتم H.265

این الگوریتم همانند استاندارد فشرده سازی H.264 ، با روش ذخیره تصویر به صورت یه فریم کامل، و سایر فریم ها به صورت ثبت تفاوت ها عمل می کند. با این تفاوت که به جای استفاده از ماکروبلوک های ثابت 16*16 از ماکروبلوک های متغییری با ابعاد 8 تا 64 پیکسل استفاده می کند. که با تشخیص هوشمند تفاوت ها و اختصاص ماکروبلوک با سایز مناسب، در محل مناسب، کاهش چشم گیری در سایز تصویر ذخیره شده ایجاد می کند.

برای درک بهتر این تفاوت و عملکرد آن به تصویر بالا نگاه کنید.در تصویر سمت راست دست شخص متحرک  در سه ماکروبلوک ثبت شده و برای ذخیره اطلاعات هر سه ماکروبلوک استفاده می شوند.اما در الگوریتم H.265 با تشخیص بخش متحرک از ماکروبلوک کوچکتری استفاده می کند که همانطور که مشاهده می کنید تاثیر چشم گیری در ضبط تصاویر به صورت 24 ساعته خواهد داشت.

هر چه الگوریتم فشرده سازی کارآمد تر باشد، نیاز به محاسبات و تجزیه و تحلیل بیشتری دارد و بنابراین دوربین IP با استاندارد فشرده سازی H.265 و پردازنده های کامپیوتری باید این پردازش اضافی را انجام دهند.

مزیت الگوریتم فشرده سازی H.265  نسبت به H.264

• کاهش حجم بیشتر با حفظ کیفیت و جزئیات تصویر
• کاهش بیت ریت تصاویر بدون کاهش کیفیت
• تقسیم بندی موثر تر ماکروبلوک ها
• استفاده از پهنای باند کمتر در انتقال تصاویر
• امکان PlayBack تصاویر با سرعت بالاتر

تفاوت الگوریتم فشرده سازی H.264 و H.265

برای نمایش تفاوت ها بهتر است سری به نمودار های آماری بزنیم.

نمودار بالا تفاوت سایز فایل ذخیره شده یک دوربین 2 مگاپیکسل در 24 ساعت را در دو روش فشرده سازی H.264 و H.265 نمایش می دهد.

همانطور که مشاهده می کنید در الگوریتم H.265 حجم تصاویر ضبط شده 52% کاهش پیدا کرده است.

همچنین در نمودار زیر می توانیم کاهش بیت ریت هر الگوریتم را در شرایط یکسان مشاهده کنیم.

این کاهش حجم فایل در پروژه های بزرگ که نیاز به هارد و پهنای باند بیشتری است بسیار نمایان تر است. برای مثال می توانید حجم هارد مصرفی برای ذخیره اطلاعات یک مجموعه با هشت دوربین 2 مگاپیکسل را در تصویر زیر مشاهده کنید.

با توجه به کاهش هزینه های هارد و پهنای باند مصرفی در این الگوریتم، سوالی که ممکن است برای شما پیش بیاید این است که:

آیا می توانیم دوربین ها و دستگاه های ضبط تصاویر h.264 را به H.265 ارتقا دهیم؟

پاسخ خیر است.

با توجه به اینکه تکنولوژی فشرده سازی به صورت سخت افزاری بوده و قابلیت ارتقا نرم افزاری ندارد، توجه به کوچک ترین جزئیات در خرید دوربین های مدار بسته  بسیار مهم خواهد بود.

پس در صورتی که نیاز به دوربین مدار بسته برای مجموعه خود دارید قبل از خرید محصولات امنیتی و نظارتی با کارشناسان این امر مشورت کنید.