Introducción y Antecedentes del códec H.265+

Recientemente, las cámaras de vigilancia de ultra-alta definición introdujeron la resolución 4K en la industria de la seguridad. Sin embargo, la resolución 4K aún no ha logrado una amplia aplicación, principalmente debido a los enormes requisitos de ancho de banda y almacenamiento de datos.Limitar la tasa de bits de una secuencia de vídeo de ultra-alta definición mientas se mantiene una imagen 4K de alta calidad sigue siendo el mayor problema, un problema cuya solución decidirá el destino de la Video vigilancia de ultra-alta definición. La transmisión de video equilibra la calidad de imagen, las capacidades de transmisión y los requisitos de datos, es decir, la cantidad de información y cómo se maneja. Por lo tanto, la optimización de la transmisión de imágenes se encuentra en los avances en la tecnología de compresión de video.

Hasta ahora, la compresión H.264 ha sido el códecestándar de la industria. Cuando el códec H.264 se popularizó, Hikvisiondesarrolló su propio algoritmo compatible para ir al siguiente nivel, que calificó de “H.264+”. La siguiente iteración en este linaje de códec-H.265-actualmente se sitúa en la cúspide de la adopción generalizada. Y unavez más, Hikvision ya ha impulsado esta tecnología de compresión a un nuevo nivel. H.265+ , que emplea un algoritmo inteligente cuya tecnología decodificación se deriva del estándar H.265/Codificación de Vídeo de AltaEficiencia (HEVC).

H.265+ optimiza el códec existente extraordinariamente cuando se cumplen los criterios específicos en un canal devideo vigilancia. Estos criterios consisten en: 1.) un fondo estable donde la información cambia rara vez; 2.) un enfoque principal en los objetos que semueven a través de esa escena estática; 3.) un período sustancial de tiempodonde los objetos en movimiento de una escena aparecen sólo de vez en cuando; y4.) vigilancia constante las 24 horas donde el ruido visual tiene un impactorelativamente grande en la calidad de la imagen. En este tipo de entorno,pruebas de campo muestran que H.265+ disminuye radicalmente la tasa de bitsrequerida de Video vigilancia de ultra-alta definición hasta en un 67% conrespecto al H.265, reduciendo de este modo el ancho de banda y elalmacenamiento requeridos. La reducciónde la tasa de bits significa la reducción de costes para los consumidores, asícomo el aumento de la eficiencia, la estabilidad y la fiabilidad de todo elhardware en un sistema de vigilancia. Así es como funciona.

Las Tres Claves: Codificación, Ruido y Tasa de Bits

Con las resoluciones de ultra-alta definición y latransmisión más eficiente como los dos objetivos primarios, H.265+ mejora larelación de compresión basándose en tres tecnologías principales: 1.) latecnología de codificación predictiva, basada en un cuadro de fondo o dereferencia, 2.) tecnología de supresión de ruido digital y 3.) tecnología decontrol de la tasa de bits a largo plazo.

Codificación Predictiva

La codificación predictiva se puede dividir en“predicción inter-cuadro”, creando un modelo de predicción a partir de uno omás fotogramas de vídeo codificados previamente, y “predicción intra-cuadro”,donde las muestras de un macro-bloque (unidad de procesamiento) se predicen usandosolamente información de macro-bloques transmitidos previamente del mismocuadro. Con la predicción inter-cuadro, la tasa de bits se puede reducirmediante la compresión de sólo la diferencia en las tasas entre un cuadro dereferencia y cualquier otro cuadro. Este cuadro de referencia –generalmente el fondo de una escena – contendrá muypocos o ningún objeto en movimiento. Afortunadamente, en la mayoría de la Videovigilancia, el fondo permanece estático.

Panorama: En una prueba decampo de intersección de tráfico, tres cuadros únicos se analizan desde uncanal de video. El primer cuadro es la intersección vacía (T0), los otros dos(T1 y T2) incluyen un objeto en movimiento, en este caso, un automóvil. Laprimera imagen se codifica como el cuadro de referencia; a partir de entonces,los datos del cuadro de referencia ya no necesitan ser enviados o almacenadoscon cada cuadro. Esto libera al VMS para seguir solamente a los vehículos enmovimiento, ya que no serán necesarios nuevos datos (bits) para cada cuadro quecaptura el fondo. Los requisitos de bits, ancho de banda y almacenamientodisminuyen inmediatamente. En caso que un fondo estrictamente vacío o un cuadrode referencia no puedan ser capturados, la alternativa es codificar dos o máscuadros que pueden incluir un objeto en movimiento. El software inteligentepuede llenar los espacios que quedan libres por aquellos objetos que se muevencon información similar que se encuentra en el espacio inmediato que lo rodea.Por lo tanto, el uso de la tasa de bits se puede reducir al mismo tiempo que segarantiza la reproducción normal para el usuario.

Supresión de Ruido

Con el fin de garantizar una alta calidad de imagende los objetos en movimiento, el módulo de codificación codifica también elruido visual en la escena. Sin embargo, usando los métodos de codificaciónpredictiva mencionados anteriormente, el algoritmo de análisis inteligente H.265+distingue entre la imagen de fondo y los objetos en movimiento de manera quecada uno puede ser codificado con diferentes estrategias de codificación.

Una imagen de fondo se codifica con alta compresión con el fin de suprimir el ruido y aplicar los datos a objetos nuevos o en movimiento. Dado que la transmisión de datos es limitada, la tasa de bits global disminuye sustancialmente cuando se compara con la compresión de video convencional.

Control de la Tasa de Bits a Largo Plazo

Hikvision ha introducido un concepto que llama “Tasa de Bits Promedio de Largo Plazo” para hacer pleno uso de los datos de una señal de video. La Tasa de Bits Promedio de Largo Plazo calcula las tasas durante un período de tiempo específico (generalmente 24 horas). Con el control de la tasa de bits promedio, la cámara puede asignar mayores tasas de bits en las horas más ocupadas a la vez que la reduce durante las horas de inactividad -por ejemplo, desde la medianoche hasta las 6:00 AM al aire libre, o desde las 8:00 PM hasta las 7:00 AM en una oficina. En el caso de un modo de tasa de bits constante para la codificación H.265, la tasa de bits varía ligeramente pero permanece cerca del valor de tasa de bits máximo predefinido. Utilizando H.265 +, la tasa de bits promedio puede ser tan baja como la mitad de la tasa de bits máxima. La calidad de la imagen aún puede optimizarse ya que la tecnología H.265 + hace uso completo de cada bit.

En el modo de tasa de bits variable, la tasa de bitsinstantánea varía en función de la actividad de una escena, mientras que lacalidad de la imagen se mantiene constante. Al usar H.265+, el cambio de tasade bits puede tomar dos vías: 1.) si el valor promedio de la tasa de bitsconfigurado es limitado, la codificación H.265+ puede proporcionar una mejorcalidad de imagen dentro de la tasa de bits limitada; y 2.) si el valor de tasade bits promedio configurado es alto para la escena que está siendo vigilada,la tasa de bits real promedio – la cantidad real de datos utilizados – puedeser menor que el valor predefinido, reduciendo el requerimiento total dealmacenamiento de datos.

Pruebas Durante las 24 horas en el Mundo Real

Se realizó una prueba de reducción de la tasa debits, basada en cámaras con una resolución de 1080p a 25 fps. La escena fue enuna pequeña cafetería bajo transmisión de video vigilancia por un período de 24horas.

Comparación de Tasa de Bits Instantánea entre Dos Escenas

Al probar la misma escena – una ajetreada cafetería- en diferentes momentos del día, mostró que la diferencia de tasa entre códecsparece menos significativa mientras el número de objetos en movimiento en laescena aumenta. Sin embargo, los números todavía son notables. La tasa de bitspromedio entre H.264 y H.265+ de Hikvision disminuyó en un sustancial 83%. Latasa de bits entre el H.265 estándar y el códec H.265+ de Hikvision disminuyóen un 67% – una diferencia menor, pero significativa cuando se aplica a lossistemas de vigilancia que encontramos en el mundo real.

Tamaño del Archivo en 24 Horas en Diferentes Escenarios

En una comparación discreta del tamaño del archivoen 24 horas de dos escenas diferentes, quedó patente una reducción drástica. Laescena uno era una cafetería, donde el códec H.264 produjo un promedio de 22,7GB, y el H.265 produjo 11,8 GB, en promedio. Increíblemente, el H.265+ deHikvision promedió solamente 3,9 GB.

La escena dos era una intersección de tráfico. Eneste caso, la comparación del tamaño del archivo en 24 horas produjo resultadossimilares. El H.264 promedió 36,4 GB, el H.265 promedió 21,1 GB, y el H.265+promedió de nuevo la tasa de bits más baja de solamente 7,5 GB.

Aquí están estos números en porcentajes. En elescenario de monitoreo de la cafetería, la tasa del archivo del tamaño de 24horas entre el H.265 y el H.265+ de Hikvision disminuyó en un 66,4%, mientrasque la tasa entre el H.264 y el H.265+ de Hikvision disminuyó en un sustancial82,5%. Para el seguimiento de la intersección de tráfico, la tasa del archivodel tamaño de 24 horas entre el H.265 y el H.265+ de Hikvision disminuyó en un64,5%, mientras que la tasa entre el H.264 y el H.265+ de Hikvision disminuyóen un 79,4%.

Beneficios:Mejoría de Ancho de Banda, Almacenamiento, Procesamiento de Imágenes y VCAs

En primer lugar, el H.265+ hace el mejor uso detodos los bits, de modo que las resoluciones HD y ultra-HD se ven lo másclaramente, nítidamente y de manera enfocada posibles. También, como el H.265+mejora la transmisión de la imagen, los objetos tendrán más píxeles por lo queel uso de VCAs posiblemente será más preciso y más fiel. También, una red queutiliza H.265+ tiene más ancho de banda disponible en un momento dado. Másancho de banda significa un mejor funcionamiento del sistema en general. Entérminos reales, en una red de banda ancha de 20 Mb, el códec H.264 puedeacomodar cinco cámaras. El H.265 lo duplica, llevando la carga de 10 cámaras.Pero el H.265+ también lo duplica, con capacidad para 20 o más cámaras en lared única. Por lo tanto, el H.265+ será la mejor opción para que los usuariosamplíen una instalación y pasen para 4K al mismo tiempo.

Además, los usuarios reducen sus costos y otrosrecursos usados en el almacenamiento de la trasmisión de datos de vídeo. Estees otro escenario: cuando 8 cámaras de 2 megapíxeles están conectadas a unared, y un dispositivo de almacenamiento tiene cinco unidades de disco duro de 5terabytes, las capacidades de grabación varían significativamente. Un sistemaque se ejecuta en H.264 llegará a su techo de almacenamiento en unas dos semanas.El H.265 lo hará un poco mejor, llenándose después de aproximadamente un mes.El H.265+ de Hikvision, sin embargo, continuará la grabación hastaaproximadamente dos meses completos. Al considerar estos resultados en una basemensual o anual para gastos de presupuestos y asignaciones de hardware, el H.265+reduce los gastos en general. Aunque el salto para el H.265+ podría ser lentoal principio, los beneficios son ventajosos en el futuro.

Las Aplicaciones están en Todas Partes

Las aplicaciones son tantas como las de cualquiercódec anterior. Sin embargo, bajo condiciones como una red inestable o ancho debanda limitado, o cuando los clientes están obligados a almacenar datos duranteperíodos prolongados de tiempo, el H.265+ será el más profundamente eficaz. Porotra parte, este códec se puede integrar en soluciones de seguridad integralespara funciones específicas – cámaras 4K, panorámicas y a prueba de explosiones,productos de muy baja iluminación y productos anticorrosivos son algunosejemplos.

Como con cualquier nueva mejoría tecnológica, lamodernización en toda la industria de los estándares actuales o heredadosrequiere invertir tiempo y recursos. Para el H.265, la migración se estáacelerando, principalmente en los sistemas de nuevo diseño pues laactualización de los sistemas H.264 existentes sólo aumenta los gastos. ElH.265 será más deseable para los integradores de sistemas y para los usuariosfinales ya que sus menores tasas de bits producen resolución de alta definicióny las imágenes se transmiten más claramente. Añadido a esto, los elementosobjetivos pueden ser aislados y ampliados con más claridad, y se pueden emplearVCAs más precisos.

Resumen

El códec H.265+ de Hikvision optimiza la tecnología de codificación H.265/HEVC, cumpliendo sus estándares de compresión y operando con la gran mayoría de hardware y software diseñado para emplear el H.265. Con el H.265+, la calidad del vídeo sigue siendo prácticamente la misma que la del H.265/HEVC al tiempo que se reducen radicalmente los requisitos de ancho de banda de transmisión y la capacidad de almacenamiento de datos. El códec H.265+servirá para ampliar la aplicación de las resoluciones ultra-HD en la vigilancia de video, tales como los dispositivos de 8 MP y 12 MP. Siempre quesea aplicado, este nuevo códec reducirá los costos de almacenamiento, hará elmayor uso de las inversiones de video vigilancia y ampliará el uso del video de seguridad 4K y de ultra-alta definición.