Una vasta scelta di standard di compressione

Immagini e video possono essere compressi in modalità “lossless” (senza perdita) o “lossy” (con perdita). Nella modalità “lossless”, tutti i pixel rimangono invariati e riproducono esattamente la stessa immagine dopo la decompressione. Il rapporto di compressione invece, ovvero la riduzione dei dati, risulta estrema-mente limitato. Uno dei formati di compressione “lossless” più comuni è il formato GIF. Il minor rapporto di compressione fa sì che questi formati non siano molto adatti per le soluzioni video di rete, soprattutto se questi sistemi vengono utilizzati per archiviare e trasmettere grandi quantità di immagini. Per ovviare al problema, sono stati sviluppati vari metodi e standard di compressione “lossy”. Lo scopo principale di tutte queste tecniche di compressione è quello di ridurre le dimensioni di ciò che non è immediatamente visibile all’occhio umano e aumentare così significativamente il rapporto di compressione.

I metodi di compressione si differenziano anche in base al diverso approccio adottato nei confronti degli standard di compressione e si suddividono in compressione di fotogrammi e compressione di video.

Standard per la compressione di fotogrammi

Tutti gli standard di compressione relativi ai fotogrammi si basano sul presupposto che venga compressa una sola immagine alla volta. Lo standard più conosciuto e diffuso è il formato JPEG.

JPEG

JPEG, un metodo di compressione molto conosciuto, fu originariamente trasformato in uno standard alla metà degli anni ’80 per iniziativa del Joint Photographic Experts Group. Il formato JPEG consente di decomprimere e visualizzare le immagini con un comune browser Web.

La compressione JPEG permette all’utente di specificare il livello di compressione desiderato, ossia di stabilire in che misura deve essere compressa l’immagine. Il livello di compressione è direttamente correlato alla qualità dell’immagine richiesta. Tuttavia, il rapporto di compressione è influenzato non solo dal livello di compressione, ma anche dall’immagine stessa. L’immagine di una parete bianca, ad esempio, permette di ottenere un file immagine relativamente piccolo (con un rapporto di compressione alto), mentre lo stesso livello di compressione applicato ad una scena complessa e ricca di dettagli genera un file di maggiori dimensioni con un rapporto di compressione più basso.

JPEG2000

L’altro standard utilizzato per la compressione dei fotogrammi è il formato JPEG2000, anch’esso sviluppato dal gruppo che ha creato lo standard JPEG. Questo formato viene principalmente usato per le applicazioni mediche e per l’acquisizione di fotogrammi. Con rapporti di compressione bassi, le prestazioni di questo formato sono equivalenti a quelle del formato JPEG, mentre con rapporti di compressione più elevati risultano leggermente migliori. Lo svantaggio del formato JPEG2000 risiede nel fatto che non è frequentemente supportato dai browser Web e dalle applicazioni per la visualizzazione e l’elaborazione di immagini.

Standard per la compressione di video

Motion JPEG

Motion JPEG è il formato più comunemente usato dai sistemi video di rete. Le telecamere di rete, come le videocamere digitali, acquisiscono le singole immagini e le comprimono nel formato JPEG. Una telecamera di rete è in grado di acquisire e comprimere, ad esempio, 30 immagini singole al secondo (ovvero 30 fps -fotogrammi al secondo) e di trasmettere un flusso continuo di immagini in rete alla postazione di visualizzazione. Se la velocità di trasmissione è pari o superiore a 16 fotogrammi al secondo, le immagini vengono percepite come video full motion. Questo metodo viene chiamato Motion JPEG o M-JPEG. Poiché ogni immagine rappresenta un’immagine JPEG completa, tutte le immagini hanno sempre la stessa qualità che varia a seconda del livello di compressione scelto per la telecamera di rete o il server video.

MPEG

Una delle tecnologie di streaming audio e video più note è indubbiamente il cosiddetto formato MPEG (creato dal Motion Picture Experts Group alla fine degli anni ’80). Questa sezione descrive in particolare la parte dedicata ai video degli standard video MPEG.

Il principio base del formato MPEG consiste nel confronto di due immagini compresse da trasmettere in rete. La prima immagine compressa viene usata come fotogramma di riferimento per le immagini successive in questo modo verranno trasmesse in rete solo le immagini diverse da quella di riferimento.
Le postazioni di rete utilizzate per la visualizzazione ricostruiscono tutte le immagini utilizzando l’immagine di riferimento e i dati degli elementi diversi.

Ovviamente il formato MPEG è molto più complesso di quanto potrebbe sembrare, poiché utilizza anche altre tecniche e parametri quali la previsione dei movimenti all’interno di una scena e l’identificazione degli oggetti. Esistono numerosi standard MPEG:

MPEG-1, rilasciato nel 1993, è il formato normalmente utilizzato per l’archiviazione di video digitali sui CD. Quindi, la maggior parte dei codificatori e decodificatori MPEG-1 è in grado di gestire una velocità di trasmissione pari a circa 1,5 Mbit/s, con una risoluzione CIF. Il formato MPEG-1 assicura una trasmissione in bit pressoché costante a scapito della qualità dell’immagine, che tende invece a variare, e che è comparabile a quella dei video VHS. Con il formato MPEG-1 la velocità è bloccata a 25 (PAL)/30 (NTSC) fotogrammi al secondo.

MPEG-2, approvato come standard nel 1994, è il formato normalmente utilizzato per i video digitali d’alta qualità (DVD), i televisori digitali ad alta definizione (HDTV), i supporti di archiviazione interattivi (ISM), i video per le trasmissioni digitali (DBV) e i televisori via cavo (CATV). Lo scopo del progetto MPEG-2 era essenzialmente quello di estendere la tecnica di compressione MPEG-1 in modo da consentire l’uso di immagini più grandi e di qualità migliore con un rapporto di compressione più basso e una velocità di trasmissione più alta. Come con il formato MPEG-1, la velocità è bloccata a 25 (PAL)/30 (NTSC) fotogrammi al secondo.

MPEG-4 è il risultato più significativo ottenuto dal progetto MPEG-2. Questo formato offre infatti molti più strumenti per ridurre la velocità in bit ai valori necessari per ottenere la qualità delle immagini richiesta per applicazioni o scene specifiche. Inoltre, la velocità di trasmissione non è bloccata a 25/30 fotogrammi al secondo. Tuttavia, è utile notare che molti degli strumenti usati per ridurre la velocità in bit possono essere attualmente usati solo per le applicazioni non in tempo reale, perché la potenza di elaborazione richiesta fa sì che il tempo di codifica e decodifica (ossia la latenza) li renda poco adatti ad applicazioni diverse dalla codifica di filmati o di animazioni. La maggior parte degli strumenti del formato MPEG-4 utilizzabili per le applicazioni in tempo reale sono di fatto gli stessi disponibili nei formati MPEG-1 e MPEG-2.

Pertanto, è sempre consigliabile selezionare uno standard di compressione ampiamente diffuso che garantisca immagini di alta qualità come M-JPEG o MPEG-4.

H.264

Il nuovo standard di compressione video H.264 è sicuramente destinato a diventare lo standard video più diffuso negli anni a venire. Attualmente è già stato implementato con successo in numerosi dispositivi elettronici come cellulari e lettori video digitali. L’introduzione di questo nuovo standard offre al settore della videosorveglianza la possibilità di ridurre i costi di memorizzazione e di migliorare ulteriormente l’efficienza generale dei sistemi.

Lo standard H.264 (talvolta chiamato anche MPEG-4 Parte 10/AVC) è uno standard aperto, acquistabile con licenza, che supporta le tecniche di compressione video più valide attualmente disponibili. Un codificatore video che utilizza lo standard H.264 è infatti in grado di ridurre le dimensioni dei file video digitali di oltre l’80% rispetto al formato Motion JPEG e fino al 50% rispetto allo standard MPEG-4 Parte 2, senza compromettere la qualità delle immagini. Cifre che spiegano perché lo standard H.264 è destinato ad avere un grosso impatto sul settore della videosorveglianza.

Confronto tra la velocità di trasmissione in bit di un flusso video della durata di 115 secondi offerto dai vari standard di compressione video, a parità di qualità delle immagini. I codificatori che utilizzano lo standard H.264 sono tre volte più efficienti rispetto a quelli che utilizzano lo standard MPEG-4 senza compensazione del movimento e fino a sei volte più efficienti rispetto allo standard Motion JPEG.

Riduzione dei costi di memorizzazione e larghezza di banda
La drastica riduzione delle dimensioni dei file ha un impatto significativo sui requisiti di memorizzazione e di larghezza di banda. A parità di quantità di dati video e di qualità delle immagini, un sistema di videosorveglianza che supporta lo standard di compressione H.264 è praticamente in grado di ridurre i costi di memorizzazione e di larghezza di banda fino al 50% rispetto ai sistemi che utilizzando tecnologie di compressione tradizionali. Ciò spiega perché in futuro questo standard è probabilmente destinato a diventare un elemento di differenziazione molto importante, soprattutto se si considera la progressiva diffusione di sistemi sempre più grandi e della necessità di trasmettere immagini di qualità elevata a velocità di trasmissione in fotogrammi sempre maggiori.

Risoluzione e velocità di trasmissione in fotogrammi più elevate
Lo straordinario rapporto di compressione tipico dello standard H.264 offre numerosi vantaggi, a seconda delle esigenze applicative. Attualmente gli utenti tendono spesso a scegliere una velocità di trasmissione in fotogrammi e una risoluzione minori per potersi mantenere nei limiti applicativi. Ciò ha tuttavia un impatto negativo sulle immagini che sono spesso sfuocate o presentano un minor livello di dettaglio. L’uso di sistemi di videosorveglianza che supportano lo standard di compressione H.264 in applicazioni di questo tipo offrirebbe il vantaggio di poter usare velocità di trasmissione in fotogrammi e risoluzioni elevate diverse, e di disporre al tempo stesso di immagini di alta qualità.

Accelerazione della diffusione delle telecamere con risoluzione megapixel
Lo standard H.264 è sicuramente destinato ad accelerare l’uso di telecamere con risoluzione megapixel nel settore della videosorveglianza, tenuto conto che uno degli elementi che sta attualmente ostacolando l’adozione di questo tipo di telecamere è rappresentato dalle dimensioni dei dati delle registrazioni video. Lo standard H.264, come spiegato in precedenza, è in grado di ridurre le dimensioni dei file senza compromettere la qualità delle immagini. Quindi, è altamente probabile che questa straordinaria tecnologia di compressione venga rapidamente adottata in applicazioni che richiedono risoluzioni e velocità di trasmissione in fotogrammi elevate, quali quelle usate per la sorveglianza di aeroporti, punti vendita, banchi e casinò.

Prospettive future
Lo standard H.264 rappresenta uno straordinario avanzamento nell’ambito della tecnologia di compressione video. Essendo già stato integrato in molti settori e applicazioni personali e professionali – come QuickTime, Flash, YouTube, iPod e PlayStation 3 – questo standard è probabilmente destinato a sostituire rapidamente tutti gli standard e i metodi attualmente disponibili. D’altro canto la progressiva integrazione di questo standard nei sistemi di videosorveglianza spingerà i progettisti e gli integratori di sistema a verificare che prodotti e produttori siano in grado di supportare tale standard.

Le origini dello standard H.264
H.264 è frutto di un progetto congiunto del gruppo VCEG (Video Coding Experts Group) di International Telecommunications e del gruppo MPEG (Moving Picture Experts Group) di ISO/IEC. ISO è l’acronimo di International Organization for Standardization, mentre IEC è un’organizzazione che si occupa di definire gli standard relativi alle apparecchiature ed elettroniche. H.264 è il nome usato da ITU-T, mentre MPEG-4 Parte 10/AVC è il nome talvolta usato da ISO/IEC che considera il nuovo standard un’integrazione della suite MPEG-4.

Frutto della definizione congiunta delle organizzazioni responsabili della definizione di standard per i settori delle telecomunicazioni e IT, lo standard H.264 è destinato ad avere una diffusione ancora più ampia di quelli precedenti.

Supporto fo rnito da axis per gli standard Motion JPEG, MPEG-4 e H.264

Molti prodotti video di Axis dispongono della funzione di codifica avanzata in tempo reale che consente di generare contemporaneamente flussi video in formato Motion JPEG, MPEG-4 e H.264. Questa funzione offre la flessibilità di massimizzare la qualità dell’immagine per la registrazione e di ridurre la larghezza di banda per la visualizzazione live.

L’MPEG-4 (MPEG-4 Parte 2) di Axis segue gli standard ISO/IEC 14496-2 e fornisce il profilo semplice avanzato (ASP) a livello 5. Grazie all’ampia gamma di parametri, è possibile configurare lo stream per ottimizzare la banda e la qualità.

Il supporto per H.264 (talvolta chiamato MPEG-4 Parte 10/ AVC) segue gli standard ISO/IEC14496-10 e fornisce numerose opzioni per ridurre i costi di memorizzazione e incrementare l’efficienza globale. Un codificatore video H.264 è in grado di ridurre le dimensioni di un file video digitale di oltre l’80% rispetto allo standard Motion JPEG e fino al 50% rispetto allo standard MPEG-4 Parte 2 precedente, senza compromessi in termini di qualità delle immagini.