REPORTAGE  
New Security Magazine 145 – février 2018

Avec H265+, la vidéosurveillance entre dans l’ère du 4K

Les fabricants de caméras de surveillance à ultra-haute définition ont récemment introduit la résolution 4K dans le secteur de la sécurité. Son usage n’est cependant pas encore généralisé, notamment du fait de ses exigences extrêmement élevées en matière de bande passante et d’espace de stockage. Si le bitrate d’un feed vidéo ultra HD est réduit, le maintien d’images 4K de haute qualité est le principal défi. Le sort de la vidéo ultra-HD dépend de la manière dont ce problème sera résolu. Lors d’une transmission vidéo, il faut trouver un équilibre entre la qualité de l’image, les possibilités de transmission et les exigences en matière de données, autrement dit la quantité d’informations et la manière dont elles sont traitées. La transmission d’images peut donc être optimisée en améliorant la technologie de compression vidéo.

Auparavant, la compression H.264 était le codec standard pour le secteur. Quand il a été appliqué à grande échelle, Hikvision a développé un algorithme propriétaire compatible afin de pouvoir aller de l’avant : le H.264+. Son successeur, le H.265, est sur le point de trouver une application universelle, mais Hikvision hisse à présent cette technologie à un niveau inédit. Le H.265+ fait en effet appel à un algorithme intelligent et à une technologie d’encodage basée sur la norme H.265/HEVC (High Efficiency Video Coding).

L’avantage par rapport à l’ancien codec se remarque surtout quand un feed de vidéosurveillance répond à des critères spécifiques, à savoir : 1) un arrière-plan immobile impliquant des données qui changent peu, 2) un focus primaire sur les objets qui se déplacent sur cet arrière-plan immobile, 3) des périodes considérables au cours desquels des objets mouvants n’apparaissent que de façon sporadique, et 4) une surveillance non-stop 24h sur 24 dans le cadre de laquelle le bruit visuel a une influence relativement importante sur la qualité de l’image. Des tests sur le terrain dans ce type d’environnement ont démontré que H.265+ diminue jusqu’à 67% le bitrate requis de la vidéo de surveillance en ultra-haute définition par rapport à H.265, ce qui atténue également les besoins de bande passante et d’espace de stockage. Un bitrate réduit entraîne une réduction des coûts pour les consommateurs ainsi qu’une amélioration de l’efficacité, de la stabilité et de la fiabilité de tout le matériel dans le système de surveillance concerné. Voici comment le système fonctionne.

Codage, bruit blanc et bitrates

Avec des résolutions ultra-HD et dans le but d’une transmission plus efficace, H.265+ améliore le taux de compression grâce à trois technologies essentielles : 1. Codage prédictif basé sur un arrière-plan ou cadre de référence, 2. Suppression numérique du bruit blanc, et 3. Gestion du bitrate pour des périodes prolongées.

Codage prédictif

Le codage prédictif peut se subdiviser en ‘prédiction interframe’, qui permet de modéliser de manière prédictive une ou plusieurs images codées précédemment, et en ‘prédiction intraframe’ qui prédit les exemples d’un bloc macro (unité de traitement) au moyen de données de blocs macro de la même image envoyées précédemment. La première solution permet de réduire le bitrate en comprimant simplement la différence de taux entre une image de référence et une autre. Cette image de référence (généralement l’arrière-plan d’une scène) ne contient que peu ou pas d’objets mouvants. Heureusement, elle est généralement stationnaire lorsqu’il s’agit de surveillance.

Scénario : trois images uniques d’un feed vidéo sont analysées lors d’un test sur le terrain à une intersection routière. La première est l’intersection vide (T0). Les deux autres (T1 et T2) permettent de voir un objet en mouvement, ici une voiture particulière. La première image est codée comme frame de référence, dont les données ne devront plus être transmises ni stockées par la suite. Le VMS peut à présent suivre tous les véhicules en mouvement, puisqu’il n’a plus besoin de nouvelles données (octets) pour chaque image dans laquelle l’arrière-plan est fixé. De ce fait, les exigences pour les octets, la bande passante et le stockage diminuent. S’il n’est pas possible de fixer un arrière-plan ou une image de référence, l’alternative consiste à coder deux ou plusieurs images incluant un objet en mouvement. Le logiciel intelligent peut combler les espaces correspondant à l’objet en question au moyen de données comparables de l’environnement direct. Il est ainsi possible de réduire le bitrate sans nuire à la restitution pour l’utilisateur.

Suppression du bruit blanc

Pour une bonne qualité d’image incluant des objets en mouvement, le module code aussi le bruit visuel de la scène. Les méthodes prédictives décrites ci-dessus permettent cependant à l’algorithme d’analyse H.265+ de faire la différence entre l’arrière-plan et les objets en mouvement, et de coder par conséquent ces derniers à l’aide de stratégies distinctes.

Pour supprimer le bruit, une image de fond est codée dans une compression élevée. Les données sont appliquées aux objets nouveaux ou en mouvement. Sachant que la transmission des données est limitée, le bitrate général est considérablement moins élevé que dans une compression conventionnelle.

Gestion du bitrate pour périodes prolongées

Hikvision a développé un concept nommé ‘bitrate moyen pour périodes prolongées’, Qui consiste à optimiser l’utilisation des données dans un feed vidéo. Les bitrates d’une période donnée (généralement 24 heures) sont calculés à partir du bitrate moyen pour des périodes prolongées. Grâce à la gestion moyenne du bitrate, la caméra peut attribuer des bitrates plus élevés aux heures de pointe et les réduire aux heures creuses, par exemple entre minuit et 6 heures du matin en utilisation externe, ou de 20 à 7 heures dans un bureau. Si l’on dit que le mode de bitrate est constant dans le codage H.265, il varie quelque peu mais sans beaucoup s’écarter du maximum prédéfini. Avec H.265+, le bitrate moyen peut être deux fois inférieur au bitrate maximum. La qualité d’image n’en est pas affectée, car cette technologie fait un usage optimal de chaque octet.

En mode bitrate variable, le bitrate direct dépend de l’activité d’une scène, mais la qualité d’image reste stable. L’utilisation de H.265+ offre deux alternatives dans la variation du bitrate : 1. Si le bitrate moyen configuré est limité, le codage H.265+ peut améliorer la qualité de l’image dans ce contexte, et 2. Si le bitrate moyen configuré est élevé pour la scène surveillée, le bitrate moyen réel (la quantité réelle de données utilisées) peut être inférieur à la valeur précédemment définie, de manière à réduire l’espace de stockage total requis.

Tests pratiques sur 24 heures

Un test de réduction de bitrate a été effectué à l’aide de caméras d’une résolution de 1080p à 25 fps. La scène était un petit café avec feed de vidéosurveillance de 24 heures.

Comparaison des bitrates directs de deux scènes

La même scène (un café animé) a été testée à divers moments. Le test a démontré que la différence de taux entre les codecs diminue à mesure que le nombre d’objets en mouvement dans la scène augmente. Pourtant, cette différence reste considérable. Le bitrate moyen pour la technologie H.265+ de Hikvision est inférieur de 83% à celui de H.264. Par rapport au codec standard H.265, le bitrate de H.265+ de Hikvision est inférieur de 67%. La différence est certes moins flagrante, mais elle reste importante pour les systèmes de surveillance réels.

Taille du fichier pour 24 heures dans diverses scènes

Dans une comparaison discrète des tailles de fichier pour 24 heures dans deux scènes différentes, on constate une diminution marquée. Pour la scène 1 (un café), le codec H.264 donnait une taille de fichier moyenne de 22,7 GB. La taille moyenne du fichier avec H.265 était de 11,8 GB. Étonnamment, le H.265+ de Hikvision a permis de ramener ce chiffre à une moyenne de 3,9 GB. La scène 2 était un carrefour routier, pour laquelle la comparaison de la taille des fichiers sur 24 heures a fourni des résultats similaires. H.264 donnait un fichier moyen de 36,4 GB, H.265 de 21,1 GB et le bitrate moyen le plus bas était à nouveau obtenu par H.265+, avec 7,5 GB seulement. Convertissons ces chiffres en pourcentages. Dans la scène du café, la taille du fichier sur 24 était inférieure de 66,4% pour H.265+ de Hikvision par rapport à H.265, tandis que la différence entre H.264 et H.265+ de Hikvision se chiffrait à pas moins de 82,5%. Pour le carrefour, la taille du fichier sur 24 heures était inférieure de 64,5% avec H.265+ de Hikvision par rapport à H.265. La différence entre H.264 et H.265+ de Hikvision était de 79,4%.

Avantages pour la bande passante, le stockage, les images et les fonctions VCA

Tout d’abord, H.265+ exploite chaque octet au mieux, ce qui donne des résolutions HD et ultra-HD parfaitement claires et nettes. Il améliore aussi la transmission des images, et de ce fait les cibles comportent davantage de pixels et l’utilisation des fonctions VCA devient nettement plus précise. De plus, sur un réseau qui utilise H.265+, la bande passante disponible est constamment plus importante. Et qui dit plus de bande passante dit meilleur fonctionnement du système. À titre d’illustration : sur un réseau offrant une bande passante de 20 MO, le codec H.264 permet d’utiliser 5 caméras. H.265 double ce chiffre, mais H.265+ le quadruple, et permet d’installer 20 caméras, voire plus, sur un seul réseau. C’est donc le meilleur choix pour les utilisateurs qui souhaitent élargir leur système tout en passant à la 4K. De plus, ils économiseront de l’argent et d’autres ressources nécessaires au stockage des données du feed vidéo. Examinons un dernier scénario. Si 8 caméras de 2 mégapixels sont raccordées sur un réseau et qu’un dispositif de stockage regroupe cinq disques durs de 5 TO, les possibilités d’enregistrement peuvent considérablement varier. Un système utilisant H.264 manquera de place après environ deux semaines. H.265 fera un peu mieux et tiendra le coup pendant un mois environ. Mais la technologie H.265+ de Hikvision pourra enregistrer pendant à peu près deux mois. Si nous examinons ces résultats par mois ou par an du point de vue des dépenses et du matériel, le H.265+ permet de réaliser des économies sur tous les plans. Bien que la transition vers ce codec puisse demander quelques efforts initiaux, les avantages qu’elle procure s’inscrivent, eux, dans la durée.

Applicable partout

Les possibilités d’applications de H.265+ sont au moins aussi vastes que celles des codecs précédents. Dans des conditions défavorables, comme un réseau instable ou une bande passante limitée, ou encore si les clients doivent stocker des données pendant des périodes prolongées, H.265+ s’avère le plus efficace. De plus, il peut s’intégrer dans des dispositifs de sécurité étendus pour des fonctions spécifiques, comme les caméras 4K, panoramiques et résistantes aux explosions, les caméras à faible luminosité et les modèles résistants à la corrosion. Comme lors de toute amélioration technologique, les mises à jour de normes actuelles ou obsolètes demandent du temps et des moyens. De plus en plus d’utilisateurs migrent vers H.265, surtout pour les systèmes récents. En effet, les coûts sont plus élevés en cas de mise à jour à partir de systèmes utilisant H.264. H.265 est de plus en plus populaire parmi les intégrateurs système et les utilisateurs finaux, car les bitrates réduits permettent des résolutions en haute définition et donnent des images plus claires. Sans oublier qu’il permet d’isoler les cibles et de les agrandir de façon plus nette, mais aussi de paramétrer les fonctions VCA de manière plus précise.

Le codec H.265+ optimise le codage H.265/HEVC, répond aux normes de compression et est compatible avec la plupart des matériels et logiciels conçus pour H.265. Avec H.265+, la qualité de la vidéo reste pratiquement la même qu’avec H.265/HEVC, tout en réduisant radicalement les exigences de bande passante de transmission et de stockage des données. Le codec H.265+ permet d’appliquer les résolutions HD à grande échelle dans la vidéosurveillance, comme les appareils 8 MP et 12 MP. En utilisant ce nouveau codec, vous bénéficierez de frais de stockage moins élevés, vous rentabiliserez au maximum vos investissements en vidéosurveillance, et vous pourrez généraliser la vidéosurveillance 4K et ultra-HD.

Par Jason Blandford (International Marketing, Hikvision)

Illustrations : Hikvision

www.hikvision.com