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.
Videokomprimierung – Datenmengen reduzieren
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.