معرفی فرمت های فشرده سازی تصویر در دوربین مداربسته

صنعت دوربین مداربسته به سمت دستگاه های دیجیتال مانند ضبط کننده های دیجیتال (DVR) و سامانه های تحت شبکه (IP) کشیده شده است. به همین دلیل تکنسین های این زمینه، باید اهمیت فراوانی به فشرده سازی تصویر دوربین مداربسته نشان بدهند. روش های گوناگونی برای فشرده سازی ویدیو در سیستم مداربسته وجود دارد که به دو دسته : فشرده سازی بر اساس فریم و استریم تقسیم می شوند. فشرده سازی بر اساس فریم شامل JPEG ،Wavelet و JPEG 2000 و فشرده سازی بر اساس استریم نیز شامل MPEG-2 ،MPEG-4 ،H.264 و MPEG-7 می شود. در این مقاله شما را با مفهوم فشرده سازی تصویر دوربین مداربسته آشنا خواهیم کرد و اصول اولیه این تکنولوژی را بیان می کنیم.

اهمیت فشرده سازی اطلاعات

همانطور که می دانیم، حجم اطلاعات ثبت و ارسال شده از دوربین مداربسته بسیار بالاست و کارکرد سامانه های ذخیره سازی و ارسال اطلاعات را دچار مشکل می کند و در نتیجه نیاز به فضای ذخیره سازی بیشتر و صرف هزینه بیشتر می باشد. به منظور غلبه بر این مشکل، فرایند فشرده سازی تصویر در دوربین مداربسته انجام می گیرد. نکته جالب این است که فناوری فشرده سازی اطلاعات، تکنولوژی جدیدی نیست، در واقع ویدیوهای آنالوگ، همواره فشرده سازی شده هستند. همچنین مدت زیادی است که در صنعت رایانه از تکنولوژی فشرده سازی اطلاعات استفاده می شود.

ریاضیدانان متخصص، سالیان سال بر روی مساله کوچک کردن اندازه تصویر، با حفظ وضوح و کیفیت آن متمرکز شده اند.

برنامه های کاربردی زیادی در رابطه با فشرده سازی تصاویر ارائه شده اند. هر کدام از این برنامه های کاربردی، اولویت متفاوتی دارند. اولویت برخی از آن ها، وضوح تصویر، اولویت برخی دیگر رسیدن به کمترین حجم اطلاعات و اولویت سایر برنامه ها، قدرت پردازش می باشد. بنابراین اگر شما به دنبال استفاده از تجهیزات دیجیتال هستید، باید فرمت فشرده سازی مناسب را انتخاب کنید تا با شبکه و سامانه شما همخوانی داشته باشد.

روش های فشرده سازی تصویر

انواع روش های مختلف فشرده سازی تصویر، به دو نوع lossless و lossy تقسیم بندی می شوند. در حالت کلی، هر چه میزان فشرده سازی کمتر باشد، کیفیت ضبط و پخش ویدیو بیشتر خواهد بود. بنابراین و به صورت طبیعی، روش lossless بهتر از روش lossy است. با این حال، فشرده سازی کم به معنی اطلاعات بیشتری است که باید منتقل و ذخیره شود که متعاقبا باعث افزایش هزینه های سیستمی خواهد شد.

فشرده سازی تصویر دوربین مداربسته، به سه روش سیگنال را کاهش می دهد؛ روش اول استفاده ار ترفندهای ریاضی است که حجم تصویر را کاهش می دهد و به هنگام نمایش، عملیات معکوس انجام شده و تصویر در اندازه واقعی نمایش داده می شود. روش دوم حذف سیگنال هایی است که از منظر انسان، زائد بوده و کارایی ندارد. روش سوم کاهش وضوح، کیفیت، فریم در ثانیه و محدوده رنگ تصویر در دوربین مداربسته است. روش سوم با نام lossy نیز شناخته می شود.

فرمت های فشرده سازی تصویر  دوربین مداربسته

شرکت های مختلف تولید دوربین مداربسته، از فرمت های مختلفی برای فشرده سازی در محصولات خود استفاده می کنند. ما در این قسمت از مقاله، به توضیح 4 مورد از معمول ترین فرمت های فشرده سازی تصویر دوربین مداربسته می پردازیم که عبارتند از:

• H264
• Motion JPEG که با نام M-JPEG و M-JPG نیز شناخته می شود.
• MPEG که با نام mpg نیز شناخته می شود.

در ادامه توضیح مربوط به هر کدام از این فرمت ها آورده خواهد شد.

•  Motion JPEG (M-JPEG)

این فرمت فشرده سازی تصویر دوربین مداربسته از فرمت JPEG که یک روش فشرده سازی برای تصاویر دیجیتال است، اقتباس شده است. JPEG یک تکنیک فشرده سازی از نوع lossless بوده و اطلاعات کمی را از تصویر حذف می کند. Motion-JPEG یک جریان ویدیویی از عکس هایی را ایجاد می کند که با فرمت JPEG فشرده ساز شده اند.

مزیت Motion JPEG این است که بر اساس تصاویر ساکن، می تواند هر یک از فریم ها را به عنوان یک تصویر واحد، تولید کند. این قابلیت برای اهداف نظارتی و امنیتی، کاربردی و سودمند است. همانطور که توضیح خواهیم داد، برخی از تکنیک های فشرده سازی نمی توانند چنین تصاویری را ارائه دهند.

•  MPEG

این ساختار پس از M-JPEG  و به وسیله­ ی گروه Motion Picture Expert Group طراحی و ایجاد شد. این استاندارد این قابلیت را دارد که قسمت­ های اضافی یا مشابه را نه تنها در هر تصویر بلکه در بین تصاویر مختلف و مجاور نیز شناسایی و حذف کند.

ساختار MPEG-1

در ساختار MPEG-1 از هر تصویر سه فریم متفاوت ساخته می­ شود. فریم اول (l-frame) همه ­ی خصوصیات و اطلاعات مربوط به ساخت تصویر موردنظر را دارد. فریم بعدی فریم پیش­بینی (P-frame) نام دارد و از l-frame تصویر قبلی ایجاد شده است و از آن برای ایجاد تصویر بعدی استفاده می­ شود. فریم آخر یا فریم پیش­بینی دوتایی (B-frames) از دو فریم قبلی و بعدی ساخته می­ شود. در این روش فشرده ­سازی قسمت­ های تکراری و زائد نه تنها در هر تصویر بلکه بین تصاویر مختلف با استفاده از مقایسه فریم­ ها با هم، حذف می ­شوند و به این ترتیب ظرفیت تصاویر ضبط شده در این روش بسیار کم­تر از روش JPEG است.

ساختار MPEG-2

ساختار MPEG-2 نوع پیشرفته­ تری از فشرده ­سازی به روش MPEG است که با استفاده از این روش فشرده­ سازی می­ توان 90 دقیقه از یک فیلم با کیفیت VHS را در فضایی به بزرگی 650 مگابایت ذخیره کرد.

ساختار MPEG-3

ساختار MPEG-3 شبیه ساختار MPEG-1 می ­باشد و به دلیل نیاز به کیفیتی بالاتر نسبت به MPEG-1 به وجود آمده است. اغلب  کاربردهای تصویربرداری در زمینه­ های سینمایی و پزشکی دارد که با توجه به وضوح تصویر بالای تصاویر دیجیتال شده، این ساختار توانایی بیشتری در خصوص بزرگ­ نمایی دیجیتال خواهد داشت، اما سرعت پهنای باند بیشتری را نیز برای انتقال تصاویر به خود اختصاص خواهد داد.

ساختار MPEG-4

ساختار MPEG-4 بر مبنای این که دیدی شی گرا و متفاوت با آنچه گفته شد به تصاویر دارد، فشرده ­سازی بیشتری را به ارمغان آورده است. MPEG-4 در مقایسه با Motion JPEG می تواند از نظر نسبت فشرده سازی 3 برابر کارآمد باشد.

• H.264

H.264 یکی از فرمت های فشرده سازی تصویر دوربین مداربسته است که در مقایسه با MPEG-4 بیش از 50 درصد کارآمدتر می باشد.

• JPEG2000

JPEG2000 یکی دیگر از فرمت های رایج فشرده سازی تصویر دوربین مداربسته است که مشابه JPEG می باشد. فشرده سازی JPEG2000 نسبت به JPE به عملکرد بالاتر پردازنده نیاز دارد.

کلام آخر در خصوص فشرده سازی تصویر در دوربین مداربسته

همانطور که در این مقاله شرح داده شد، فشرده سازی تصویر دوربین مداربسته بر اساس فریم و استریم تقسیم می شوند. فشرده سازی بر اساس فریم شامل JPEG ،Wavelet و JPEG 2000 و فشرده سازی بر اساس استریم نیز شامل MPEG-2 ،MPEG-4 ،H.264 و MPEG-7 می شود که ما به بررسی چهار نوع رایج ترین ها در فشرده سازی تصویر سیستم  های مداربسته پرداختیم. در حال حاضر شرکت های دوربین مداربسته فرمت های مختلفی از H.265 را ارائه کرده اند که سهم بسیار بزرگی را در کاهش پهنای باند و فضای ذخیره سازی و در نهایت هزینه داشته است.