por Arecont Vision, LLC
La compresión H.264 de cámaras CCTV de megapíxeles es tal vez el avance más importante en la tecnología de cámaras IP desde que éstas fueron presentadas por primera vez. Esencialmente, la H.264 permite que las cámaras de megapíxeles y alta definición no paralelas utilicen el mismo ancho de banda y almacenen igual que las cámaras VGA de definición estándar. Desde el cambio de cámaras en blanco y negro a las de colores, la industria no había experimentado un avance tan importante en tecnología.
Aunque la migración hacia las redes de vigilancia por video Ethernet sigue creciendo y aunque las nuevas tecnologías y productos ofrecen medios más eficientes de lograr video de alto desempeño sin ningún tipo de compromisos, los profesionales de la seguridad también deben familiarizarse con los matices del video IP para tomar la mayor ventaja posible de los beneficios que ofrecen los sistemas basados en IP.
Existen dos problemas relacionados con el video IP (y más específicamente con el video de megapíxeles) que deben ser tratados: las limitaciones del ancho de banda y el hecho de que los datos del video digital de alta definición requieren mayores cantidades de espacio para almacenamiento y registro. Lo esencial para lograr el equilibrio correcto es un solo factor: la compresión. Para el video de megapíxeles, esta compresión ha estado basada en MJPEG por largo tiempo. Sin embargo, el surgimiento de la H.264 está cambiando significativamente las demandas del video de megapíxeles sobre el ancho de banda y, por lo tanto, la utilización del almacenamiento y, por este motivo, las limitaciones antes mencionadas ya son menos que un factor.
Visión general
Demos un vistazo a un escenario típico que uno puede enfrentar cuando consideramos una solución de CCTV de red (menos compresión implica una mayor calidad de imagen y mayores tamaños de archivos). Si se incrementa la compresión, se tendrán archivos de menor tamaño, pero menor calidad de imagen. Esto ha sido un problema cada vez más crítico a medida que las cámaras convencionales IP de megapíxeles y alto desempeño ganan más fuerza para la vigilancia general por video. Los criterios que uno necesita considerar son los siguientes: calidad de imagen (compresión), tamaño de las imágenes (resolución) y recorte, el número de imágenes registradas o mostradas por segundo (velocidad de imagen).
Por ejemplo, comparemos dos imágenes separadas puestas con las mismas especificaciones de calidad de imagen que utilicen la compresión MJPEG (una imagen VGA convencional con resolución 640 x 480 y una imagen de 3 megapixeles, con resolución de 2048 x 1536. Cada imagen se transmite a una velocidad de 15 imágenes por segundo. El flujo de la imagen de 3 megapixeles puede utilizar entre 18 y 25 Mbps, mientras que el flujo de VGA puede requerir solamente entre 2 o 3 Mbps. Si comenzamos por agregar cámaras (tal vez varios cientos de cámaras) los requerimientos de ancho de banda aumentan rápidamente. Para los sistemas con múltiples cámaras de megapíxeles puede representar un reto la transmisión y almacenamiento de volúmenes tan grandes de datos sin que haya que hacer un sacrificio, incluso con la proliferación de las configuraciones Ethernet de Gigabits y la rápida disminución del precio de almacenamiento.
Más eficiencia
El compromiso que generalmente se tiene cuando se confronta con esta barrera de ancho de banda y almacenamiento, respecto a la imagen de megapíxeles, es bajar la calidad a soluciones con menor resolución tales como la D1, la VGA o incluso los dispositivos con menos resolución. No obstante, el uso de la H.264 ofrece una mayor eficiencia de compresión entre 5 y 12 veces sobre el promedio, en comparación con las implementaciones de la MJPEG. Esto depende de la cantidad de luz en la escena, lo cual produce mayor o menor ruido y la cantidad de movimiento en la escena.
Asumamos una eficiencia de compresión H.264 conservadora de ocho veces (un flujo de video de 3 megapixeles resulta ahora en un requerimiento de ancho de banda entre 2.25 y un poco por encima de 3 Mbps). Esto es similar al requerimiento de ancho de banda de las cámaras VGA de IP a la misma velocidad de imagen utilizando la MJPEG. Además, el flujo de 3 megapixeles de la H.264 sigue manteniendo el beneficio intrínseco de 10 veces la densidad de pixeles de la VGA. Desde luego, la velocidad de bits depende del movimiento en la escena, lo cual podría ser causado por una configuración PTZ. Sin embargo, la mayoría de las cámaras de vigilancia se utilizan en aplicaciones fijas con movimiento nominal. Incluso si el movimiento no es nominal habrá algo de aumento en el ancho de banda requerido; pero con el tiempo la H.264 seguirá siendo más eficiente que las implementaciones MJPEG.
Algunas cámaras H.264 tienen control de velocidad de bits, lo que permite un ajuste constante de la velocidad de bits, lo cual se logra con la variación de la calidad para predecir de manera precisa los requerimientos de ancho de banda y almacenamiento. La necesidad de comprometer la resolución para el ancho de banda y el almacenamiento se reduce significativamente con la H.264, lo cual da a los usuarios un motivo más para aprovechar los beneficios del video de megapíxeles de alta definición.
Otras veces se hace una reducción de la velocidad de imágenes con el video de megapíxeles con el fin de reducir el ancho de banda. Aunque no se requieren compromisos de la reducción de la velocidad de imágenes con las actuales implementaciones de las cámaras de megapíxeles de la H.264. El video de megapíxeles logra actualmente las mismas velocidades de imagen en tiempo real que la VGA con casi los mismos requerimientos del ancho de banda VGA; ejemplo: 30 ips @ 1280 x 1024 y 24 ips a 1600 x 1200. Poniendo todo el énfasis en la seguridad para emular el “tiempo real”, generalmente es inaceptable reducir las velocidades de imágenes de video, especialmente para condiciones de “alarma” o en algunas aplicaciones tales como casinos, en donde los parámetros de grabación están sometidos a una legislación. La H.264 se vuelve más “eficiente” con mayores velocidades de imagen que con menores velocidades de imagen, en cambio esto no sucede con MJPEG.
Si es inaceptable reducir la velocidad de la imagen del video muchas veces la disminución de la calidad de la imagen (aumentando la compresión) se utiliza para compensar. Empero, el aumento de la compresión aumenta la cantidad de efectos no deseados de ruido e imagen. En cierta medida hará de la imagen algo inutilizable. Es un balance delicado. Con la H.264 se logra el balance deseado, dando como resultado una alta compresión, velocidades completas de imagen y una resolución de alta definición, lo que permite que la resolución forense se beneficie del video de megapíxeles con un mínimo compromiso.
Una consideración adicional son los componentes del sistema en sí. Los servidores o computadores tienen sus propias limitaciones, incluyendo la capacidad de procesar datos rápidamente. Esto puede ser considerado como su “ancho de banda interno”.
No es correcto decir que la carga de la CPU tiene que ser mayor para poder decodificar H.264 versus MJPEG. La complejidad matemática radica en la codificación de la H.264, lo cual se hace en la cámara. La complejidad de decodificar la MJPEG y la H.264 es similar. De hecho, las aplicaciones reales muestran una carga reducida de la CPU, debido a los menores tamaños de los flujos bajo similares ajustes de calidad.
Las plataformas del software para manejar y grabar video utilizando soluciones de decodificación H.264 deben realizar un tratamiento de CPU similar o incluso mejor con las cámaras de megapíxeles H.264, comparado con las versiones MJPEG. Bajo esta premisa, el número de cámaras de megapíxeles H.264 manejadas por cada servidor debe ser el mismo o mejor que con los dispositivos de MJPEG.
Solución H.264
La última presentación de la compresión H.264 para vigilancia por video está eliminando el grado de compromiso entre el tamaño de la imagen y la resolución versus el ancho de banda y las capacidades requeridas para almacenamiento (especialmente cuando se considera el uso de cámaras IP de megapíxeles).
La implementación por parte de Arecont Vision de la H.264 (MPEG-4 – Parte 10), ofrece una compresión de hasta veinticinco veces mayor que los dispositivos convencionales de megapíxeles MJPEG, junto con una mayor resolución. La introducción de las nuevas cámaras de megapíxeles HD con compresión de video H.264 realmente mejora la efectividad en el costo en relación con almacenamiento y ancho de banda.
Aunque la implementación de la H.264 es compleja, recientemente está siendo utilizada en codificadores comerciales para transmisiones radiales y productos basados en el consumidor. El reto para la compañía fue ofrecer tecnología H.264 a un bajo costo para finalmente disminuir el precio de las cámaras IP de megapíxeles al nivel de cámaras VGA IP de definición estándar que están penetrando fuertemente en la industria de seguridad actual. Afortunadamente, algunas reducciones de costos son inherentes a la norma H.264 en sí (su complejidad general se distribuye sobre un gran número de operaciones que pueden combinarse a satisfacción y ajustarse a un conjunto determinado de requerimientos aplicación y presupuestos).
La ventaja de Arecont Vision en lograr esta meta se da en la experiencia de clase mundial en el campo del procesamiento de imágenes de hardware con base en FPGA. Más específicamente el codificador H.264 implementado en una sola FPGA ofrece 80 billones de operaciones por segundo (una proeza que requeriría 25 procesadores Pentium). Esto da como resultado una mejor compresión (reducción del tamaño del flujo) con una calidad alta de video en una escena típica de vigilancia de carreteras, con vehículos y personas en movimiento, lo que es hasta veinticinco veces mayor que la MJPEG. Este nivel de compresión sería imposible en una implementación de bajo costo sin un pre-codificador temporal no lineal propio. Como resultado de ello, un flujo de video de 2 megapixeles y de alta calidad a 24 ips o un flujo de video de 5 megapixeles a 9 ips, puede ser tan bajo como entre 1.5 y 2.5 Mbps.
Las nuevas cámaras de 1.3, 2, 3 y 5 megapixeles H.264, pueden ser llevadas a otras proporciones, como resoluciones de 1920 x 1080 o 1280 x 720 para un formato de alta definición de 16 x 9. La línea soporta capacidades de múltiples flujos para la transmisión de flujos de video en diferentes formatos de video, velocidades de imagen, velocidades de bits y resoluciones. La resolución es completamente controlable, lo que hace posible lograr resolución completa o menos para conservar más el ancho de banda y el almacenamiento, y lograr un campo total de visualización con una menor resolución, conservando las regiones de interés con una resolución completa de megapíxeles.
Las cámaras de megapíxeles H.264 de Arecont ofrecen una resolución HD de registro progresivo de movimiento total, junto con una variedad de características adicionales, incluyendo detección de movimiento multizonal. Las nuevas cámaras también soportan el protocolo RTSP para flujo directo del video H.264 en operadores de software de terceros, tales como el QuickTime de Apple, el Media Player de Windows o el Player de VLC, así como SDK a la medida para la integración en plataformas de manejo de otros fabricantes.
La tendencia está cambiando a medida que vemos más sistemas profesionales de vigilancia por video cambiarse a una plataforma basada en IP. Esto se debe en gran parte a avances tales como las cámaras de megapíxeles HD H.264. Además de un marcado avance en el desempeño general, las nuevas cámaras de megapíxeles H.264, y los dispositivos relacionados, son un gran alivio para los anteriores sacrificios entre la utilización del ancho de banda, las capacidades de flujo, el tamaño de los archivos y la calidad de la imagen para grabación y transmisión a gran escala.
Deje su comentario