Kompressionsverfahren für weniger Speicherbedarf bei gleichbleibender Videoqualität

Kompressionsverfahren im Überblick

Moderne Videoüberwachungsprodukte nutzen digitale Kompressionsverfahren, um die Datenraten der aufgenommenen Videos niedrig zu halten. Ein unkomprimiertes Video in adäquater Qualität würde sonst eine Datenrate von mehr als 100 Megabit pro Sekunde benötigen, womit keine praktikable IP-Videoüberwachung möglich wäre. Die eingesetzten Verfahren unterscheiden sich voneinander zum Teil jedoch stark und sind zudem für bestimmte Einsatzzwecke optimiert. Wir haben uns die bekanntesten Kompressionsverfahren, die in der IP-Videoüberwachung zum Einsatz kommen, genauer angesehen und die wichtigsten Daten und Fakten für Sie zusammengestellt.

Kompressionsverfahren

Dank moderner Kompressionsverfahren kann die Größe von Bild- und Videodateien teils drastisch reduziert werden. Ein Film mit einer Länge von 90 Minuten in durchschnittlicher Qualität würde ohne Kompression beispielsweise 120 GB Speicher benötigen. Neben der Dateigröße selbst ist jedoch auch der Verbrauch der Bandbreite von besonderer Bedeutung. Nicht überall stehen Internetleitungen mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von mehreren 100 Mbit/s zur Verfügung. Kompressionsverfahren müssen daher dafür sorgen, dass die aufgezeichneten Bilder und Videos schnell und vor allem in guter Qualität übertragen werden können und zudem wenig Speicherplatz benötigen.

MPEG-4

MPEG-4 wird seit Jahren für das Livestreaming von Videos eingesetzt und wurde speziell für die Videoübertragung mit niedrigen Bitraten entwickelt. Das Verfahren liefert dabei weitaus klarere Bilder als das verwandte MPEG-2-Verfahren und zeichnet sich darüber hinaus durch eine besonders hohe Kompatibilität aus. Das Kompressionsverfahren arbeitet mit sogenannten Schlüsselbildern. Innerhalb eines Videos gibt es viele aufeinanderfolgende Bilder, die sich nur wenig voneinander unterscheiden. Diesen Umstand nutzt das Verfahren und überträgt daher lediglich das Schlüsselbild in hoher Qualität. Die darauffolgenden Bilder werden nur interpretiert und nicht zur Gänze übertragen. Durch die Anwendung dieses Prinzips können erstaunliche Bildkompressionen erreicht werden.

H.264

Das Kompressionsverfahren H.264 ist auch unter dem Namen AVC (Advanced Video Codec) bekannt und liefert selbst bei einer Auflösung von nur 2 Megabit eine ausgezeichnete Bildqualität, wobei der Standard als Nachfolger von MPEG-4 gilt. H.264 benötigt im direkten Vergleich bis zu 50 % weniger Bandbreite als MPEG-4. Das heißt, dass ein Video, welches mit H.264 codiert wurde, eine doppelt so gute Auflösung bieten kann, als ein MPEG-4 Video. Der Standard wird heutzutage von den meisten Netzwerkkameras unterstützt. Kameras aus dem Hause Hikvision arbeiten jedoch mit dem moderneren H.264+-Standard. Dieses Verfahren reduziert den Bandbreiten- und Speicherverbrauch gegenüber H.264 noch einmal um bis zu 50 %, was das Verfahren zur perfekten Lösung für Netzwerkkameras mit HD-Auflösung macht.

H.265

Der offizielle Nachfolger von H.264 ist H.265, welches auch als HEVC (High Efficiency Video Coding) bezeichnet wird. Das Verfahren liefert eine verbesserte Kompression bei geringerem Bandbreitenbedarf. Der Standard benötigt jedoch mehr Rechenleistung als andere Verfahren und wird noch nicht von jeder Netzwerkkamera unterstützt.

MJPEG

MJPEG zeichnet sich insbesondere durch seinen geringen Bedarf an Rechenleistungen und Bandbreite aus. Die Bitrate muss lediglich mehr als 10 Megabit pro Sekunde betragen, um eine gute Videoqualität übertragen zu können. Bei diesem Verfahren wird jedes Bild, welches von der IP Kamera geliefert wird, separat als JPEG-Bild komprimiert. Der Vorteil dieser Technik liegt darin, dass die Bilder im Unterschied zu MPEG-4 exakt geschnitten werden können. MJPEG wird beispielsweise von QuickTime, aber auch von Browsern wie Chrome oder Safari genutzt.

MxPEG

Das Kompressionsverfahren MxPEG wurde von der Firma Mobotix speziell für den Einsatz im Bereich von Sicherheitsanwendungen konzipiert, wobei eine hohe Bildqualität im Vordergrund stand. Das Verfahren eignet sich daher perfekt für die Videoanalyse und Nachbearbeitung von aufgenommenen Videos.

Zipstream

Das Unternehmen Axis entwickelte für seine Netzwerkkameras das Kompressionsverfahren H.264 weiter. Die daraus entstandene Ziptstream-Technologie arbeitet nicht nur effizienter als das H.264-Verfahren, sondern benötigt auch weniger Bandbreite und Speicherplatz. Das Verfahren eignet sich zur dynamischen Analyse von Videostreams, wobei interessante Bereiche eines Livestreams in Echtzeit gefiltert werden können. Dadurch können beispielsweise Gesichter oder Nummernschilder besser erkannt werden und unwichtige Bereiche wie Grünflächen mit einer geringeren Qualität aufgenommen werden.

Fazit

Dank moderner Kompressionsverfahren benötigen Sie heutzutage keine außergewöhnliche Bandbreite und keine überdimensionierten Festplatten mehr, um ihre Überwachungsvideos in hoher Qualität übertragen und speichern zu können. Welches Verfahren die beste Lösung für Ihre Bedürfnisse ist, muss individuell entschieden werden. Mit einer Kamera von cambuy.de können Sie jedoch sicher sein, dass Sie ein Gerät erwerben, welches mit den aktuellsten Technologien und Verfahren arbeitet, sodass Sie die Kamera einfach in Ihre bestehende Umgebung integrieren können.

Im Vergleich verschiedener Netzwerkkameras kommt der unterstützten Kompressionstechnologie oft kaum Beachtung zu. Ob H.264, H.265+ oder MJPEG – damit können Laien wenig anfangen. Außerdem scheint die Komprimierung in der Videoüberwachung eine untergeordnete Rolle zu spielen.

Aber das Gegenteil ist der Fall: Nur mit extrem leistungsfähigen Codecs wie H.265 und H.265+ lassen sich die Vorteile der hohen Auflösungen von aktuellen und zukünftigen IP Kameras voll nutzen.

Weitere Informationen zur H265 und H265+

Eine IP Kamera überträgt den Videostream im Netzwerk, belegt dabei Bandbreite und die Videodaten benötigen Speicherplatz in Aufzeichnungsgräten wie beispielsweise Netzwerkrekordern. Je höher eine Überwachungskamera auflöst und je höher die Bildqualität (d. h. die Bitrate) eingestellt ist, desto mehr Daten fallen an, desto höher ist die belegte Bandbreite und desto höher ist der verbrauchte Speicherplatz. Hohe Auflösungen und Qualitäten stellen also hohe Anforderungen an die Infrastruktur und verursachen höhere Folgekosten.

Die Aufgabe des Videocodecs für die Komprimierung besteht darin, die Datenmengen zu reduzieren, ohne dass dadurch die Qualität der Bilder merklich leidet. Denn Bildqualität einerseits und ein geringes Datenvolumen andererseits sind die beiden Gegenspieler, zwischen denen ein Codec vermitteln muss. Dabei lassen sich zwei unterschiedliche Ansätze unterscheiden: verlustfreie Komprimierung und verlustbehaftete Komprimierung.

Die Grenzen der verlustfreien Komprimierung sind so eng, dass sie nirgends zum Einsatz kommt, weder in der Videoüberwachung noch in der Unterhaltungselektronik. Große Datenmengen müssen also mit Verlusten komprimiert werden, damit sie handhabbare Größen erreichen. Verlust bedeutet in diesem Zusammenhang, dass weniger wichtige Daten verworfen werden, worunter die Bildqualität eigentlich leiden würde.

Der Clou bei Hochleistungscodecs wie H.265 und besonders H.265+: Die Verluste kann man nicht erkennen. Die Bilder sind so klar und detailreich, dass sie wie nicht komprimierte Rohdaten aussehen und sich auch so auswerten lassen. Das gilt für Aufnahmen bei Tageslicht, bei gemischtem Licht in der Dämmerung und für Nachtaufnahmen mit Infrarotbeleuchtung oder anderen künstlichen Lichtquellen. Dank H.265+ fordern Ultra-HD Überwachungskameras mit 8 MP (4K) und zukünftig noch weitaus höheren Auflösungen der Infrastruktur geringere Ressourcen ab als eine Full-HD Überwachungskamera mit H.264.

Getestete Leistungsfähigkeit

Um die Leistungsfähigkeit des hauseigenen Codecs H.265+ zu überprüfen, hat Hikvision sechs unterschiedliche Testszenarien entworfen: Ein Café und eine Straßenkreuzung wurden unter guten Lichtbedingungen jeweils mit vielen sowie wenigen bewegten Objekten und in der Dunkelheit ohne bewegte Objekte überwacht, stets mit 25 Bildern pro Sekunde und in Full-HD.

Der Hintergrund der unterschiedlichen Szenarien:
Es sollten realistisch alle typischen Anwendungsfälle einer Überwachungskamera abgebildet werden, denn für die Videoüberwachung ist H.265+ optimiert. In einer 24-Stunden-Überwachung kommt es nachts zu langen Phasen, in denen keinerlei bewegte Objekte im Bild erscheinen, tagsüber kommt es in Stoßzeiten zu extrem viel Bewegung, in den sonstigen Zeiten nur sporadisch. Die durchgängig hohe Framerate von 25 fps erlaubt die lückenlose Verfolgung jeder Person und ihrer Handlungen sowie jedes Fahrzeugs im überwachten Bereich. Für die Aufklärung von Straftaten und das Erfassen von Bewegungsprofilen ist ein flüssiger Stream unerlässlich.

Die Unterscheidung von viel und wenig Bewegung ist für eine realistische Einordnung des Codecs besonders wichtig: Bewegung bedeutet Veränderung am Bildinhalt. Die grundsätzliche Strategie bei der Komprimierung besteht darin, nur die Veränderungen von Bild zu Bild zu übertragen. Für die Bildanteile, die unverändert bleiben, werden die vorherigen Daten sozusagen recycelt. Eine lange Folge von unveränderten Bildern lässt sich also leicht komprimieren, sehr viele Veränderungen bedeuten auch mehr zu übertragende Daten.

Die Ergebnisse sind beeindruckend

Mit H.265 lässt sich im Vergleich zu H.264 die benötigte Bitrate bereits um 47,8 % senken, mit Hikvisions eigenem Codec H.265+ sind sogar Einsparungen von 83,7 % möglich. Hochgerechnet auf einen Zyklus von 24 Stunden, wobei der Tag mit viel Bewegung veranschlagt wird, ergeben sich bei den Datenmengen Einsparungen zwischen 79,4 % und 82,5 %. So belegt ein 24-Stunden-Video des Cafés mit H.264 insgesamt 22,7 GB, mit H.265+ nur 3,86 GB. An der Straßenkreuzung sieht es ähnlich aus. Ein mit H.264 komprimiertes Video ist 36,4 GB groß, mit H.265+ sind es nur 7,5 GB. So lässt sich bares Geld sparen. Eine herkömmliche Netzinfrastruktur muss nicht ausgeweitet werden und selbst bei Dauerüberwachung bleibt der Bedarf an Speichermedien im Rahmen.

H.265+: Optimiert für die Videoüberwachung

Bei der Entwicklung von H.265+ konnte Hikvision auf seine Erfahrung als Marktführer in der Videoüberwachung zurückgreifen und hat die typischen Eigenschaften von Überwachungsvideos ausgewertet:

• Große Bildanteile bleiben komplett unverändert, z.B. der Hintergrund oder Seitenbereiche.
• Bewegte Objekte (Personen oder Fahrzeuge) sind besonders wichtig und bedürfen besonders hoher Bildqualität.
• Über große Zeiträume hinweg kommt es zu keinerlei Bewegungen.
• Bildrauschen kann besonders nachts die Bildqualität und die anfallenden Datenmengen beeinträchtigen.

Auf Basis dieser Beobachtungen integrierte Hikvision bei der Entwicklung von H.265+ drei wesentliche Techniken

• Vorausschauende Codierung (Predictive Encoding)
• Rauschunterdrückung (Noise Suppression)
• langfristige Bitratensteuerung (Long-Term Bitrate Control).

Bei der vorausschauenden Codierung werden nochmals intra- und inter-frame prediction unterschieden. Der Kern bei beiden Codierungen: Der Codec vergleicht (entweder aufeinanderfolgende Frames oder Makroblöcke innerhalb eines Frames) hinsichtlich der Veränderungen. Unveränderte, statische Bildbereiche werden nur einmalig codiert. Die eingesparten Datenmengen werden für den veränderten, bewegten Bereich aufgewendet – der somit mit bester Qualität abgebildet wird.

Die Rauschunterdrückung arbeitet zusammen mit der vorausschauenden Codierung selektiv. Für bestmögliche Bildqualität wird sichtbares Rauschen mitcodiert, aber nur bei den wichtigen, bewegten Bildanteilen, beispielsweise einem Auto, das über einen Parkplatz fährt. Der unwichtige Hintergrund wird inklusive des Rauschens stärker komprimiert.

Mit der Long-Term Bitrate Control berechnet der Codec die Bitraten über einen längeren Zeitraum, typischerweise 24 Stunden, und ordnet den verschiedenen Abschnitten einer Berechnungsperiode optimal die benötigte Bitrate zu. Im Ergebnis kann mit H.265+ die durchschnittliche Bitrate auf bis zu 50 % einer vorgegebenen maximalen Bitrate gesenkt werden. Bei variabler Bitrate holt H.265+ also das Beste aus jedem Bit heraus. Ist die vorgegebene durchschnittliche Bitrate für eine Szene verhältnismäßig gering, ist die Bildqualität dennoch hoch. Ist der vorgegebene Wert hoch, kann mit H.265+ die tatsächlich in Anspruch genommene Bitrate signifikant gesenkt werden.

Zukunftssichere Komprimierung

Ausfallsicherheit, wachsende Auflösungen und unkomplizierte Erweiterung der Videoüberwachung innerhalb bestehender Infrastrukturen werden mit H.265+ von Hikvision überhaupt erst möglich. Mehrere parallele 4K-Dauerstreams sind ohne eine effektive Komprimierung nicht denkbar. Gleichzeitig darf die Bildqualität aber nicht leiden – denn ein Überwachungsvideo muss eindeutige Identifikationen erlauben. Genau hier spielt H.265+ seine Stärken aus, was diesen Codec von Hikvision zur Benchmark in der Videoüberwachung macht.