Standardy i definicje

Autor: Paweł Jóźwik

Rozdzielczość kamer, rejestratorów i obrazu

PAL (ang. Phase Alternating Line) - standard nadawania koloru w sygnale telewizyjnym, używany w telewizji kolorowej. Został opracowany w Niemczech przez Waltera Brucha z zakładów Telefunken i po raz pierwszy zastosowany w 1967 roku. [ więcej na Wikipedia ]

VGA (ang. Video Graphics Array) jeden ze standardów kart graficznych IBM-PC ustanowiony w 1987 roku. Potoczne określenie na rozdzielczość o wartościach 640x480px.
Porównanie rozdzielczości ekranów

[ więcej na Wikipedia ]

Kodowanie obrazu

H.264, AVC (ang. Advanced Video Coding) - standard kodowania sekwencji wizyjnych o bardzo małych przepływnościach, przyjęty w roku 2003 jako 10 część standardu ISO MPEG-4 oraz jako rekomendacja ITU-T H.264. Projekt x264 zajmuje się stworzeniem otwartej implementacji tego kodeka.
Efektywność kompresji kodera AVC dzięki wprowadzeniu nowych rozwiązań jest o wiele większa niż poprzednich standardów: MPEG-1, MPEG-2 czy MPEG-4 część 2 (popularne implementacje to DivX i Xvid). [ więcej na Wikipedia ]

Kompresja mpeg4 MPEG-4, wprowadzony pod koniec 1998 jest oznaczeniem grupy standardów kodowania audio i wideo wraz z pokrewnymi technologiami, opracowanej przez grupę ISO/IEC MPEG. Główne zastosowania MPEG-4 to media strumieniowe w sieci Web, dystrybucja CD, wideokonferencje i telewizja. MPEG-4 przejął wiele elementów standardów MPEG-1, MPEG-2 i pokrewnych, dodając nowe możliwości takie jak (rozszerzone) wsparcie VRML dla renderowania 3D, zorientowane-obiektowo pliki złożone (zawierające obiekty audio, wideo i VRML), wsparcie dla technologii DRM (zdefiniowanych jako zewnętrzne standardy) i różnoraką interaktywność.
Działanie kodera mpeg4 polega na tworzeniu klatek kluczowych zawierających pełną informację o obrazie, a następnie generowaniu kilku, kilkunastu klatek zawierających tylko zmiany w stosunku do poprzedniej klatki. Taka metoda zapisu powoduje, że mpeg4 nadaje się głównie do zapisu strumienia wideo oraz nie pozwala na dokładne przeglądanie klatek. Rozpoczęcie odtwarzania może się odbyć tylko w miejscu klatki kluczowej. Zaletą kompresji mpeg4 jest możliwość umieszczenia ścieżki dźwiękowej w strumieniu.
Kodowanie do mpeg4 ma również ograniczenia w stosunku do rozdzielczości. Ze względu na dużą moc obliczeniową potrzebną zarówno do zapisu jak i odtwarzania, nie stosuje się większej rozdzielczości zapisu niż PAL. Wyklucza to kompletnie zastosowanie kodowanie mpeg4 w kamerach megapiksleowych.

Kompresja mjpeg Algorytm kompresji używany przez JPEG jest algorytmem stratnym, tzn. w czasie jego wykonywania tracona jest bezpowrotnie część pierwotnej informacji. Algorytm przebiega następująco [5]: Obraz jest konwertowany z kanałów czerwony-zielony-niebieski (RGB) na jasność (luminancję) i 2 kanały barwy (chrominancje). Ludzie znacznie dokładniej postrzegają drobne różnice jasności od drobnych różnic barwy, a więc użyteczne jest tutaj użycie różnych parametrów kompresji. Krok nie jest obowiązkowy (opcjonalnie można go pominąć). Wstępnie odrzucana jest część pikseli kanałów barwy, ponieważ ludzkie oko ma znacznie niższą rozdzielczość barwy niż rozdzielczość jasności. Można nie redukować wcale, redukować 2 do 1 lub 4 do 1. Kanały są dzielone na bloki 8×8. W przypadku kanałów kolorów, jest to 8×8 aktualnych danych, a więc zwykle 16×8.
Na blokach wykonywana jest dyskretna transformata kosinusowa (DCT). Zamiast wartości pikseli mamy teraz średnią wartość wewnątrz bloku oraz częstotliwości zmian wewnątrz bloku, obie wyrażone przez liczby zmiennoprzecinkowe. Transformata DCT jest odwracalna, więc na razie nie tracimy żadnych danych.
Zastąpienie średnich wartości bloków przez różnice wobec wartości poprzedniej. Poprawia to w pewnym stopniu współczynnik kompresji. Kwantyzacja, czyli zastąpienie danych zmiennoprzecinkowych przez liczby całkowite. To właśnie tutaj występują straty danych. Zależnie od parametrów kompresora, odrzuca się mniej lub więcej danych. Zasadniczo większa dokładność jest stosowana do danych dotyczących niskich częstotliwości niż wysokich.
Współczynniki DCT są uporządkowywane zygzakowato, aby zera leżały obok siebie.
Współczynniki niezerowe są kompresowane algorytmem Huffmana. Są specjalne kody dla ciągów zer. Użyta transformata powoduje efekty blokowe w przypadku mocno skompresowanych obrazków. Kompresja mjpeg to zbiór klatek tworzony ze zdjęć kompresowanych metodą jpeg. W przypadku strumienia JPG przesyłane są kolejne klatki. Nie mamy możliwości zapisu dźwięku. Możliwe jest używanie materiału o dowolnej rozdzielczości co znacznie podnosi elastyczność algorytmu. Kompresja mjpeg pomimo wielu zalet generuje dość duży strumień danych w sieci Ethernet. W zamian za to umożliwia poklatkowe szczegółowe przeglądanie materiałów w dowolnym miejscu osi czasowej. Mjpeg jest najpopularniejszą kompresją stosowaną w kamerach IP.

Kompresja przyszłości H.264 H.264-AVC (ang. Advanced Video Coding) - standard kodowania sekwencji wizyjnych o bardzo małych przepływnościach, przyjęty w roku 2003 jako 10 część standardu ISO MPEG-4 oraz jako rekomendacja ITU-T H.264. Projekt x264 zajmuje się stworzeniem otwartej implementacji tego kodeka.
Efektywność kompresji kodera AVC dzięki wprowadzeniu nowych rozwiązań jest o wiele większa niż poprzednich standardów: MPEG-1, MPEG-2 czy MPEG-4 ASP (popularne implementacje to DivX i Xvid). Do najważniejszych innowacji AVC można zaliczyć: predykcja między-obrazowa z adaptacyjnym podziałem obrazu na bloki o rozmiarze 4×4, 4×8, 8×4, 8×8, 8×16, 16×8 lub 16×16 punktów, transformacja całkowitoliczbowa, predykcyjne kodowanie wewnątrz-obrazowe, estymacja wektorów ruchu z dokładnością do 1/4 odstępu próbkowania, długookresowa pamięć obrazów, kodowanie entropijne uniwersalnymi kodami o zmiennej długości (UVLC) lub adaptacyjne kodowanie arytmetyczne (CABAC). Ocenia się, że standard AVC w niedługim czasie wyprze poprzednie standardy, szczególnie w zastosowaniach telewizji cyfrowej, Video On Demand oraz przechowywania sekwencji wizyjnych na nośnikach cyfrowych (CDROM, DVD, Blu-ray). Również w monitoringu kompresja H.264 zdobywa coraz większą popularność.
W kodowaniu H.264 otrzymujemy materiał o stałej wielkości. W przypadku obrazów statycznych mamy maksymalne możliwe odwzorowanie szczegółów. W momencie wprowadzenia ruchu na obserwowany obraz, jakość spada w celu utrzymania stałej wielkości strumienia.
Na chwilę obecną monitoring nie mógłby się obejść bez kodowania H.264. Kamery IP mają tak duże zapotrzebowanie na przepustowość łącz, że bez kodowania H.264 projektowania systemów było znacznie utrudnione.

Przetworniki obrazu

CMOS (ang. Complementary MOS) technologia wytwarzania układów scalonych, głównie cyfrowych, składających się z tranzystorów MOS o przeciwnym typie przewodnictwa i połączonych w taki sposób, że w ustalonym stanie logicznym przewodzi tylko jeden z nich. Dzięki temu układ statystycznie nie pobiera żadnej mocy (pomijając niewielki prąd wyłączenia tranzystora), a prąd ze źródła zasilania płynie tylko w momencie przełączania ? gdy przez bardzo krótką chwilę przewodzą jednocześnie oba tranzystory. Tracona w układach CMOS moc wzrasta wraz z częstotliwością przełączania, co wiąże się z przeładowywaniem wszystkich pojemności, szczególnie pojemności obciążających wyjścia.
Układy CMOS są relatywnie proste i tanie w produkcji umożliwiając uzyskanie bardzo dużych gęstości upakowania tranzystorów na jednostce powierzchni płytki krzemu. W nowoczesnych układach powierzchnia zajmowana przez jeden tranzystor jest mniejsza od 1 ?m?.

CCD (ang. Charge Coupled Device) - układ wielu elementów światłoczułych, z których każdy rejestruje, a następnie pozwala odczytać sygnał elektryczny proporcjonalny do ilości padającego na niego światła. W cyfrowych aparatach fotograficznych najczęściej stosowane są filtry barwne, dające możliwość rejestracji natężenia określonej szerokości spektrum światła w danym punkcie matrycy.
Konstrukcja matrycy została przeprowadzona głównie na użytek naukowy, zaś jej pierwsze zastosowania obejmowały astronomię, gdzie do dziś pozostaje podstawowym narzędziem badawczym, wypierając w zasadzie klisze fotograficzne. Obecnie masowo wykorzystuje się matryce CCD o coraz wyższej rozdzielczości w aparatach cyfrowych, gdzie otrzymane dane po przetworzeniu przez jednostkę centralną aparatu mogą zostać zapisane w postaci plików graficznych. Obecnie (10.2008) stosowane są powszechnie w aparatach fotograficznych matryce o rozdzielczościach od 6 do 15 megapikseli (Mpx). Największe matryce stosowane w obserwatoriach astronomicznych mają od 65 do ponad 100 megapikseli.

Parametry kamer

PTZ (Pan Tilt Zoom) oznacza panoramę, przechył oraz zbliżenie. Są to 3 funkcje głowic obrotowych zdolnych do kręcenia się prawo-lewo, góra-dół i zbliżania optycznego obrazu. Występują również kamer z funkcją zoom lub z funkcją panoramy i przechyłu.

IPxy jest to system oznaczania klasy odporności urządzeń na warunki pracy. X oznacza odporność mechaniczną, Y mówi o odporności na wodę i wilgoć. Kamery zdolne do pracy na zewnątrz w Polskich warunkach pogodowych powinny być oznaczone IP66.

PoE (Power over Ethernet) technologia przesyłu energii z pomocą skrętki do przenośnych urządzeń peryferyjnych będących elementami sieci Ethernet: urządzeń komunikacji VoIP, adapterów sieci bezprzewodowej i punktów dostępu, kamer internetowych etc.
Sposób działania technologii został opracowany wraz z nadejściem standardu IEEE 802.3af i jego opis zawarty został w tejże dokumentacji. Za pomocą standardowej skrętki kat. 3 (lub wyższej) jest dostarczane zasilanie do różnych urządzeń sieciowych. Pod napięciem są dwie najczęściej nieużywane pary skrętki (3. niebieska i 4. brązowa). Z założenia zasilanie to miało mieć napięcie 48 V (w standardzie jest od 25 do 60 V) i maksymalny prąd do 400 mA, lecz różni się to w zależności od implementacji.