REPORTAGE
New Security Magazine 145 – februari 2018
Met H.265+ is videosurveillance in het tijdperk van 4K aanbeland
Onlangs hebben producenten van ultra-high-definition surveillancecamera’s de 4K-resolutie geïntroduceerd in de beveiligingsindustrie. 4K wordt echter nog niet breed ingezet, vooral omdat de vereisten voor bandbreedte en opslagruimte extreem hoog zijn. Wanneer de bitrate van een ultra-HD-videofeed wordt verlaagd, is het behoud van hoogwaardige 4K-beelden de grootste uitdaging. Het lot van ultra-HD-video is afhankelijk van de manier waarop dit wordt opgelost. Bij videotransmissie moet er een evenwicht worden gevonden tussen beeldkwaliteit, transmissiemogelijkheden en gegevensvereisten – ofwel de hoeveelheid informatie en de manier waarop deze wordt verwerkt. De beeldtransmissie kan dus worden geoptimaliseerd door de videocompressietechnologie te verbeteren.
Voorheen was H.264-compressie de standaard-codec in deze sector. Toen de H.264-codec op grote schaal werd toegepast, heeft Hikvision een eigen compatibel algoritme ontwikkeld om zo een volgende stap te kunnen zetten. Dat kreeg de naam H.264+. De opvolger van deze codec, H.265, staat op het punt om universeel te worden toegepast. Ook nu heeft Hikvision deze compressietechnologie alweer naar een hoger plan getild. Voor H.265+ wordt gebruikgemaakt van een intelligent algoritme met een coderingstechnologie die is gebaseerd op de H.265/HEVC-standaard (High Efficiency Video Coding).
Het voordeel van H.265+ ten opzichte van de bestaande codec is vooral merkbaar wanneer in een surveillancevideofeed aan specifieke criteria wordt voldaan. Deze criteria zijn: 1.) een stabiele achtergrond met gegevens die zelden veranderen; 2.) een primaire focus op de objecten die zich verplaatsen tegen deze stabiele achtergrond; 3.) aanzienlijke perioden waarin bewegende objecten slechts af en toe verschijnen; en 4.) 24 uur per dag non-stopsurveillance, waarbij visuele ruis een relatief grote invloed op de beeldkwaliteit heeft. Veldtesten in dit type omgeving hebben aangetoond dat H.265+ de vereiste bitrate van de ultra-high-definition surveillancevideo met tot wel 67% verlaagt in vergelijking met H.265, waardoor ook de benodigde bandbreedte en opslagruimte afnemen. Een verlaagde bitrate gaat gepaard met lagere kosten voor consumenten, evenals een verbeterde efficiëntie, stabiliteit en betrouwbaarheid van alle hardware in het desbetreffende surveillancesysteem. Het werkt als volgt.
Codering, ruis en bitrates
Met ultra-HD-resoluties en een transmissie met een hogere efficiëntie als hoofddoel verbetert H.265+ de compressieverhouding op basis van drie essentiële technologieën: 1.) voorspellende coderingstechnologie op basis van een achtergrond of referentieframe, 2.) digitale ruisonderdrukkingstechnologie en 3.) bitratebeheertechnologie voor langdurige perioden.
Voorspellende codering
Voorspellende codering kan worden onderverdeeld in ‘interframevoorspelling’, waarbij er een voorspellingsmodel wordt gemaakt van een of meer eerder gecodeerde videoframes, en ‘intraframevoorspelling’, waarbij de voorbeelden van een macroblok (verwerkingseenheid) worden voorspeld aan de hand van gegevens van eerder verzonden macroblokken van hetzelfde frame. Met interframevoorspelling kan de bitrate worden verlaagd door alleen het verschil in rate tussen een referentieframe en een ander frame te comprimeren. Dat referentieframe (doorgaans de achtergrond van een scène) bevat weinig tot geen bewegende objecten. Gelukkig is de achtergrond in de meeste gevallen stationair wanneer het gaat om surveillance.
Scenario: bij een veldtest op een verkeersknooppunt worden drie unieke frames uit een videofeed geanalyseerd. Het eerste frame is de lege kruising (T0). In de andere twee frames (T1 en T2) zien we een bewegend object, in dit geval een personenwagen. Het eerste beeld wordt gecodeerd als referentieframe. Hierna hoeven de referentieframegegevens niet meer bij elk frame te worden verzonden of opgeslagen. Het VMS heeft nu de vrijheid om alleen bewegende voertuigen te volgen, aangezien er geen nieuwe gegevens (bits) nodig zijn voor elk frame waarin de achtergrond wordt vastgelegd. Dit heeft invloed op de vereisten voor de bits, bandbreedte en opslagruimte, die hierdoor direct lager uitvallen. Als er geen lege achtergrond of leeg referentieframe kan worden vastgelegd, is het alternatief om twee of meer frames met een bewegend object te coderen. Intelligente software kan de ruimten van de bewegende objecten invullen met vergelijkbare gegevens uit de directe omgeving. Zo kan het bitrategebruik worden verlaagd zonder dat dit ten koste gaat van de weergave aan de gebruiker.
Ruisonderdrukking
Voor een hoogwaardige beeldkwaliteit bij bewegende objecten codeert de codeermodule ook de visuele ruis in de scène. Bij het gebruik van de hierboven beschreven voorspellende coderingsmethoden maakt het intelligente analysealgoritme H.265+ echter onderscheid tussen de achtergrond en bewegende objecten, zodat deze afzonderlijk van elkaar met verschillende coderingsstrategieën kunnen worden gecodeerd.
Om ruis te onderdrukken wordt een achtergrondbeeld gecodeerd met een hoge compressie. Er worden gegevens toegepast op nieuwe of bewegende onderwerpen. Omdat de gegevenstransmissie beperkt is, valt de algehele bitrate aanzienlijk lager uit dan bij conventionele videocompressie.
Bitratebeheer voor langdurige perioden
Hikvision heeft een concept ontwikkeld dat ‘gemiddelde bitrate voor langdurige perioden’ wordt genoemd. Hiermee worden de gegevens in een videofeed optimaal benut. Met de gemiddelde bitrate voor langdurige perioden worden de bitrates voor een bepaalde periode (doorgaans 24 uur) berekend. Dankzij het gemiddelde-bitratebeheer kan de camera hogere bitrates toewijzen aan drukke uren en de bitrate op rustige momenten beperken, bijvoorbeeld van middernacht tot 6 uur bij buitengebruik of van 20 uur tot 7 uur in een kantoor. Als er sprake is van een constante-bitratemodus voor H.265-codering, varieert de bitrate enigszins, maar blijft deze wel in de buurt van de vooraf gedefinieerde maximale bitrate. Met H.265+ kan de gemiddelde bitrate wel twee keer zo laag zijn als de maximale bitrate. De beeldkwaliteit kan nog steeds optimaal zijn, aangezien de H.265+-technologie elke bit optimaal benut.
In de variabele-bitratemodus varieert de directe bitrate afhankelijk van de activiteit in een scène. De beeldkwaliteit blijft echter stabiel. Wanneer H.265+ wordt gebruikt, kan de bitratevariatie twee kanten op: 1.) als de geconfigureerde gemiddelde bitrate beperkt is, kan de H.265+-codering een betere beeldkwaliteit opleveren binnen de beperkte bitrate; en 2.) als de geconfigureerde gemiddelde bitrate hoog is voor de scène die wordt bewaakt, is de werkelijke gemiddelde bitrate (de werkelijke hoeveelheid gegevens die wordt gebruikt) mogelijk lager dan de vooraf gedefinieerde waarde, waardoor de vereiste totale opslagruimte kleiner wordt.
24-uurs praktijktest
Er is een test voor een bitratereductie uitgevoerd met camera’s met een resolutie van 1080p bij 25 fps. De scène was een klein café met een videosurveillancefeed van 24 uur.
Vergelijking van directe bitrates van twee scènes
Dezelfde scène (een drukbezocht café) is op verschillende tijdstippen getest. Dat heeft aangetoond dat het verschil in rates tussen de codecs minder groot wordt naarmate het aantal bewegende objecten in de scène toeneemt. Toch blijft het verschil opmerkelijk. De gemiddelde bitrate is bij de H.265+-technologie van Hikvision 83% lager dan bij H.264. Vergeleken met de standaard-codec H.265 is de bitrate bij de H.265+-codec van Hikvision 67% lager. Dit verschil is weliswaar kleiner, maar nog steeds significant voor werkelijke surveillancesystemen.
Bestandsgrootte voor 24 uur in verschillende scènes
In een discrete vergelijking van de bestandsgrootten voor 24 uur in twee verschillende scènes is een aanzienlijke afname te zien. Scène 1 was een café waarin de H.264-codec een gemiddelde bestandsgrootte van 22,7 GB opleverde. Bij H.265 was de gemiddelde bestandsgrootte 11,8 GB. Opvallend genoeg kwam de H.265+-codec van Hikvision uit op een gemiddelde bestandsgrootte van 3,9 GB. Scène 2 was een verkeersknooppunt. Hier leverde de vergelijking van de bestandsgrootte voor 24 uur vergelijkbare resultaten op. H.264 kwam uit op een gemiddelde bestandsgrootte van 36,4 GB, H.265 had een gemiddelde bestandsgrootte van 21,1 GB en de laagste gemiddelde bitrate was opnieuw voor H.265+, resulterend in een bestandsgrootte van slechts 7,5 GB. Dit zetten we even om in percentages. In het caféscenario nam de bestandsgrootte voor 24 uur voor H.265+ van Hikvision met 66,4% af in vergelijking met H.265, terwijl het verschil tussen H.264 en H.265+ van Hikvision maar liefst 82,5% was. In het verkeersscenario nam de bestandsgrootte voor 24 uur voor H.265+ van Hikvision met 64,5% af in vergelijking met H.265. Het verschil tussen H.264 en H.265+ van Hikvision was 79,4%.
Voordelen voor bandbreedte, opslag, beelden en VCA-functies
Ten eerste maakt H.265+ optimaal gebruik van elke bit, waardoor HD- en ultra-HD-resoluties er zo helder en scherp mogelijk uitzien. Ook verbetert H.265+ de beeldtransmissie, waardoor doelobjecten uit meer pixels bestaan en het gebruik van VCA-functies aantoonbaar nauwkeuriger wordt. Bovendien is er in een netwerk dat gebruikmaakt van H.265+ op elk moment meer bandbreedte beschikbaar. En als er meer bandbreedte is, betekent dat dat het systeem beter functioneert. Ter illustratie: in een netwerk met een bandbreedte van 20 Mb biedt de H.264-codec ruimte voor vijf camera’s. H.265 verdubbelt dat tot een aantal van tien camera’s. Maar H.265+ verdubbelt dat ook nog eens en biedt ruimte aan twintig camera’s op één netwerk, mogelijk zelfs nog meer. H.265+ is daarmee de beste keuze voor gebruikers die hun systeem willen uitbreiden en tegelijkertijd willen overstappen op 4K. Bovendien besparen deze gebruikers geld en andere middelen die nodig zijn voor de opslag van videofeedgegevens. Laten we nog een scenario bekijken. Wanneer er acht camera’s van 2 megapixel op een netwerk worden aangesloten en een opslagapparaat vijf harde schijven van 5 terabyte heeft, kunnen de opnamemogelijkheden behoorlijk variëren. Een systeem met H.264 zal na ongeveer twee weken opslagruimte tekortkomen. H.265 doet het iets beter en houdt het ongeveer een maand vol. Maar de H.265+-technologie van Hikvision blijft ongeveer twee hele maanden opnemen. Als we deze resultaten per maand of per jaar bekijken met het oog op uitgaven en hardware, werkt H.265+ besparend op elk gebied. Hoewel de overstap naar H.265+ in eerste instantie wat moeite kan kosten, zijn de voordelen ervan tot ver in de toekomst te merken.
Overal toe te passen
H.265+ kan minstens net zo breed worden toegepast als eerdere codecs. Onder ongunstige omstandigheden zoals een onstabiel netwerk of beperkte bandbreedte, of wanneer klanten gedurende langere tijd gegevens moeten opslaan, is H.265+ echter het meest effectief. Bovendien kan deze codec worden geïntegreerd in uitgebreide beveiligingsoplossingen voor specifieke functies, zoals 4K-, panorama- en explosiebestendige camera’s, producten voor gebruik bij weinig licht en corrosiebestendige producten. Zoals bij elke nieuwe technologische verbetering het geval is, geldt dat voor upgrades van huidige of verouderde standaarden tijd en middelen nodig zijn. Er wordt steeds vaker gemigreerd naar H.265, vooral naar nieuw ontworpen systemen. Dit komt doordat de kosten hoger uitvallen wanneer er een upgrade van bestaande H.264-systemen wordt uitgevoerd. H.265 wordt steeds populairder onder systeemintegrators en eindgebruikers, aangezien de verlaagde bitrates high-definition resoluties opleveren en beelden duidelijker zijn. Daarnaast kunnen doelobjecten worden geïsoleerd en duidelijker worden vergroot. Ook kunnen VCA-functies nauwkeuriger worden ingezet.
De H.265+-codec optimaliseert de H.265/HEVC-coderingstechnologie, voldoet aan de compressiestandaarden en is compatibel met de meeste hardware en software die zijn ontworpen voor H.265. Met H.265+ blijft de videokwaliteit vrijwel hetzelfde als bij H.265/HEVC het geval is, terwijl de vereisten voor de transmissiebandbreedte en de gegevensopslag drastisch worden verlaagd. De H.265+-codec zorgt ervoor dat ultra-HD-resoluties op grotere schaal worden toegepast bij videosurveillance, zoals apparaten van 8 MP en 12 MP. Wie deze nieuwe codec toepast, profiteert van lagere opslagkosten, videosurveillance-investeringen die optimaal worden benut en een bredere inzet van 4K- en ultra-HD-beveiligingsvideo.
Door Jason Blandford (International Marketing, Hikvision)
Illustraties: Hikvision