Kompressionstechnologie bringt Videoüberwachung in die 4K-Ära

Zusammen mit Ultra-HD-Überwachungskameras hält seit kurzem auch die 4K-Auflösung Einzug in die Sicherheitsbranche. Doch breite Anwendung findet diese ultrahohe Auflösung bisher noch nicht, vor allem wegen der enormen Anforderungen an Bandbreite und Datenspeicher. Das größte Problem besteht darin, die Bitrate von Ultra-HD-Videoübertragungen zu senken, ohne die Qualität der 4K-Bilder zu beeinträchtigen – ein Problem, dessen Lösung über das Schicksal von Ultra-HD-Überwachungsvideo entscheiden wird. Bei der Videoübertragung muss ein Gleichgewicht zwischen Bildqualität, Übertragungskapazitäten und Datenanforderungen gefunden werden – d.h. ­Datenmenge und -verarbeitung. Daher ist die Optimierung der Bildübertragung abhängig von Fortschritten in der Videokompressionstechnologie.

Bisher war H.264-Kompression der branchenübliche Codec. Als H.264 immer breitere Anwendung fand, entwickelte Hikvision einen eigenen kompatiblen Algorithmus, der einen Schritt weiterging: H.264+. Die nächste Version dieser Codec-Reihe – H.265 – steht im Moment kurz vor der umfassenden Einführung. Und wieder hat Hikvision das Kompressionsverfahren auf ein neues Niveau gehoben. H.265+ verwendet einen intelligenten Algorithmus, dessen Kodierungstechnologie auf dem Standard H.265/High Efficiency Video Coding (HEVC) basiert. H.265+ optimiert den existierenden Codec besonders bei Videoübertragungen, die bestimmte Kriterien erfüllen. Diese Kriterien sind:

• ein stabiler Hintergrund, bei dem sich die Informationen selten ändern
• ein Hauptfokus auf die Objekte, die sich durch diese statische Szene bewegen
• ein substanzieller Zeitraum, in dem die beweglichen Objekte nur gelegentlich erscheinen
• 24-Stunden-Überwachung ohne Unterbrechungen, bei der sichtbares Rauschen die Bildqualität relativ stark beeinflusst.

Feldversuche zeigen, dass H.265+ in einer solchen Umgebung die erforderliche Bitrate des Ultra-HD-Überwachungsvideos gegenüber H.265 radikal um bis zu 67 % senkt, was auch die notwendige Bandbreite und Speicherkapazität erheblich reduziert. Eine geringere Bitrate bedeutet nicht nur geringere Kosten für Verbraucher, sondern auch höhere Effizienz, Stabilität und Zuverlässigkeit der Hardware in einem Überwachungssystem. Und so funktioniert es:

Drei Schlüsseltechnologien: Kodierung, Rauschen und Bitraten
Um die beiden Hauptziele – Ultra-HD-Auflösung und effizientere Übertragung – zu verwirklichen, steigert H.265+ den Komprimierungsgrad mithilfe von drei Schlüsseltechnologien: 1.) prädiktive Kodierung, basierend auf einem Hintergrund- oder Referenzbild, 2.) digitale Rauschunterdrückung und 3.) langfristige Bitratensteuerung.

Prädiktive Kodierung
Prädiktive Kodierung kann unterteilt werden in „Inter-Frame-Prädiktion“, die Erstellung eines Vorhersagemodells auf Grundlage eines oder mehrerer zuvor kodierter Videobilder, und „Intra-Frame-Prädiktion“, wobei die Muster eines Makroblocks (Verarbeitungseinheit) nur anhand von Daten über den zuvor übertragenen Makroblock desselben Einzelbildes vorhergesagt werden. Bei der Inter-Frame-Prädiktion kann die Bitrate reduziert werden, indem man lediglich die Ratendifferenz zwischen einem Referenzbild und einem anderen Bild komprimiert. Dieses Referenzbild – normalerweise der Hintergrund einer Szene – enthält kaum bzw. keine bewegten Objekte. Glücklicherweise ist der Hintergrund in der Videoüberwachung zumeist statisch.

Rauschunterdrückung
Um bei bewegten Objekten eine hohe Bildqualität zu gewährleisten, kodiert das Kodierungsmodul auch das sichtbare Rauschen in der Aufnahme. Anhand der oben erwähnten prädiktiven Kodierungsverfahren unterscheidet der intelligente Analyse-Algorithmus H.265+ jedoch zwischen dem Hintergrund und bewegten Objekten, sodass für beide unterschiedliche Kodierungsstrategien eingesetzt werden können.

Ein Hintergrundbild wird mit hoher Kompression kodiert, um Rauschen zu unterdrücken, und wendet Daten auf neue oder bewegte Objekte an. Da die Datenübertragung eingeschränkt ist, nimmt die Gesamt-Bitrate im Vergleich zu herkömmlicher Videokompression erheblich ab.

Steuerung langfristiger Bitraten
Hikvision hat ein Konzept namens „Long-Term Average Bitrate“ (langfristige durchschnittliche Bitrate) eingeführt, um die Daten einer Videoübertragung voll auszuschöpfen. Long-Term Average Bitrate berechnet die Bitraten über einen bestimmten Zeitraum (normalerweise 24 Stunden). Mit der Bitratensteuerung kann die Kamera den jeweiligen Stoßzeiten höhere Bitraten zuweisen und diese zu ruhigeren Zeiten reduzieren – z.B. von Mitternacht bis 06.00 Uhr im Freien oder von 20.00 Uhr bis 07.00 Uhr in einer Büroumgebung. Bei einem konstanten Bitratenmodus für H.265-Kodierung variiert die Bitrate leicht, bleibt aber nahe dem zuvor festgelegten Maximalwert. Mit H.265+ kann die durchschnittliche Bitrate dagegen bis auf die Hälfte des Maximalwerts gesenkt werden. Dennoch kann die Bildqualität weiter optimiert werden, da H.265+ jedes Bit voll ausnutzt.

Im variablen Bitratenmodus variiert die unmittelbare Bitrate je nach Aktivität in der aufgenommenen Szene, während die Bildqualität konstant bleibt. Bei H.265+ kann die Bitratenveränderung auf zweierlei Weisen erfolgen: 1.) Wenn der konfigurierte durchschnittliche Bitratenwert eingeschränkt ist, kann eine Kodierung mit H.265+ eine bessere Bildqualität innerhalb der limitierten Bitrate liefern. 2.) Wenn der konfigurierte durchschnittliche Bitratenwert für die zu überwachende Umgebung hoch ist, kann die tatsächliche durchschnittliche Bitrate – die tatsächlich genutzte Datenmenge – unterhalb des festgelegten Werts liegen, sodass der Gesamtspeicherbedarf sinkt.

24-Stunden-Praxistest
Unser Bitraten-Reduktionstest umfasste Kameras mit einer Auflösung von 1080 Pixeln bei 25 Bildern pro Sekunde. Die Videoüberwachung fand in einem kleinen Café über einen Zeitraum von 24 Stunden statt.

Sofortiger Bitratenvergleich zwischen zwei Szenen
Bei Tests in derselben Umgebung – einem beliebten Café – zu unterschiedlichen Tageszeiten zeigte sich, dass die Ratendifferenz zwischen Codecs weniger signifikant wurde, je höher die Zahl der bewegten Objekte in der Szene anstieg. Dennoch sind die Ergebnisse bemerkenswert. Im Vergleich zwischen H.264 und dem Hikvision-System H.265+ sank die durchschnittliche Bitrate um enorme 83%. Im Vergleich zwischen dem Standard-Codec H.265 und dem Hikvision-System H.265+ betrug der Rückgang 67% – ein kleinerer aber in der Praxis dennoch signifikanter Unterschied für Überwachungssysteme.

Größe von 24-Stunden-Dateien in verschiedenen Umgebungen
Bei separaten Größenvergleichen von 24-Stunden-Dateien aus zwei verschiedenen Umgebungen zeigte sich eine drastische Reduzierung. Szene eins war ein Café, wo der H.264-Codec durchschnittlich 22,7 GB lieferte und der H.265 durchschnittlich 11,8 GB. Der Hikvision-Codec H.265+ erzielte einen Durchschnittswert von bemerkenswerten 3,9 GB. Szene zwei war die Verkehrskreuzung. Hier brachte der Dateigrößenvergleich über 24 Stunden ähnliche Ergebnisse. H.264 erzielte durchschnittlich 36,4 GB, H.265 lieferte durchschnittlich 21,1 GB und H.265+ erzielte wiederum die niedrigste Bitrate von nur 7,5 GB.

In Prozentzahlen ausgedrückt heißt das: Bei der Überwachung des Cafés sank die Rate der 24-Stunden-Datei beim Einsatz des Hikvision-Codece H.265+ gegenüber dem H.265 um 66,4 %. Gegenüber dem H.264 war die Rate des Hikvision H.265+ um enorme 82,5 % geringer. Bei der Überwachung der Verkehrskreuzung sank die Rate der 24-Stunden-Datei beim Einsatz des Hikvision-Codec H.265+ gegenüber dem H.265 um 64,5 %. Gegenüber dem H.264 lag die Rate des Hikvision H.265+ um 79,4 % niedriger.

Vorteile: Optimierung von Bandbreite, Speicherung, Bildverarbeitung und VCA
Erstens nutzt H.265+ jedes Bit voll und ganz aus; HD- und Ultra-HD-Bilder sind klar, scharf und optimal fokussiert. Zweitens verbessert H.265+ die Bildübertragung: Zielobjekte haben mehr Pixel, sodass VCA-Systeme präzisere und korrektere Ergebnisse liefern können. Drittens besitzt ein Netzwerk, das H.265+ einsetzt, zu jedem Zeitpunkt mehr Bandbreite. Und das bedeutet höhere Systemleistungen insgesamt. Praktisch heißt das: In einem 20-MB-Breitbandnetzwerk reicht der Codec H.264 für fünf Kameras aus. H.265 verdoppelt dies und ermöglicht zehn Kameras. Doch H.265+ verdoppelt sogar diese Zahl – ein einziges Netzwerk kann mit dem neuen Algorithmus 20 oder mehr Kameras umfassen. Daher ist der Codec H.265+ die beste Wahl für Anwender, die eine Installation ausbauen und gleichzeitig zu 4K übergehen wollen.

Außerdem können Anwender Kosten und andere Ressourcen im Zusammenhang mit der Speicherung von Videodaten sparen. Hier ein weiteres Beispiel: Wenn acht 2-Megapixel-Kameras an ein Netzwerk angeschlossen sind und der Datenspeicher fünf 5-Terrabyte-Festplatten umfasst, variiert die Aufzeichnungskapazität erheblich. Ein System mit H.264 erreicht seine Speicherkapazität in zwei Wochen. H.265 verbessert dieses Limit geringfügig – sie steigt auf etwa einen Monat. Beim Hikvision-Codec H.265+ dagegen beträgt die Speicherkapazität bis zu circa zwei Monate. Berücksichtigt man diese Resultate bei der Budgetierung von Ausgaben und Hardware-Zuweisungen auf monatlicher oder jährlicher Basis, bedeutet H.265+ eine erhebliche Kostensenkung. Auch wenn der Wechsel zu H265+ zunächst langsam erfolgen dürfte, reichen seine Vorteile weit in die Zukunft.

Grenzenlose Einsatzgebiete
Die Einsatzgebiete sind mindestens so breit gestreut wie die jedes vorausgegangen Codec. Doch unter Bedingungen wie einem instabilen Netzwerk, geringer Bandbreite oder wenn Daten über einen längeren Zeitraum gespeichert werden müssen, zeigt H.265+ sein Leistungsvermögen besonders deutlich. Außerdem kann dieser Codec in umfassende Sicherheitslösungen für spezifische Funktionen integriert werden – 4K-, Panorama- und explosionsfeste Kameras, Ultra-Low-Light- und korrosionsbeständige Produkte sind nur einige Beispiele.

Wie bei jeder technologischen Weiterentwicklung erfordert die branchenweite Aufrüstung von aktuellen oder älteren Standards Zeit und Ressourcen. Bei H.265 beschleunigt sich die Migration, vor allem in neu eingerichteten Systemen, da das Upgrade bestehender H.264-Systeme die Kosten oft nur noch steigert. H.265 dürfte sich bei Systemintegratoren und Anwendern zunehmender Beliebtheit erfreuen, da die geringeren Bitraten HD-Auflösungen ermöglichen und klarere Bilder liefern. Zudem können Zielobjekte isoliert und deutlicher vergrößert werden, auch die VCA-Genauigkeit nimmt damit zu.

Zusammenfassung
Der Hikvision-Codec H.265+ optimiert die H.265/HEVC-Kodierungstechnologie, erfüllt ihre Kompressionsstandards und ist mit den weitaus meisten Hardware- und Software-Lösungen kompatibel, die für H.265 konzipiert sind. Mit H.265+ bleibt die Videoqualität gegenüber H.265/HEVC praktisch unverändert, die notwendige Übertragungsbandbreite und Speicherkapazität werden jedoch erheblich gesenkt. Der Codec H.265+ wird die Einsatzbereiche von Ultra-HD-Auflösung in der Videoüberwachung erweitern, beispielsweise durch 8-MP- und 12-MP-Geräte. Unabhängig vom Anwendungsgebiet reduziert der neue Codec die Speicherkosten, schöpft die Möglichkeiten der Videoüberwachung voll aus und wird die Nutzung von 4K- und Ultra-HD-Video in der Sicherheitsbranche ausdehnen.