Principali algoritmi di compressione su chiavi per le applicazioni di sorveglianza IP: vantaggi e svantaggi

La maggiore diffusione dei sistemi di sorveglianza IP di rete ha messo in maggiore evidenza la necessità di trovare un sistema ottimale per la trasmissione delle immagini digitali in rete. 

Fortunatamente, questo problema può essere risolto utilizzando una serie di algoritmi di compressione appropriati.

In questo articolo vengono analizzati i vantaggi e gli svantaggi di alcuni algoritmi di compressione, di cui tenere presente al momento della scelta della soluzione ottimale. I principali algoritmi di compressione delle immagini sono cinque e sono tutti utilizzati dall'odierna industria della sorveglianza. Alcuni sono più diffusi di altri. Per le immagini in movimento e i video vengono generalmente utilizzati gli algoritmi MPEG, H.261 e H.263, mentre per i fotogrammi è preferibile utilizzare gli algoritmi JPEG, JPEG 2000 e Wavelet.

Principali algoritmi di compressione

JPEG è l'acronimo di Joint Photographic Experts Group, il comitato che ha sviluppato questo standard e il successivo, noto con il nome di JPEG 2000. Attualmente JPEG è il formato di compressione più comunemente usato. Come suggerisce il nome stesso, è stato sviluppato per gestire la compressione di singoli fotogrammi e pertanto considera l'output video come se si trattasse di singoli fotogrammi. Questo algoritmo offre la possibilità di scegliere tra un rapporto di compressione molto elevato con una qualità dell'immagine ridotta e un rapporto di compressione leggermente inferiore con una migliore qualità dell'immagine. Se le immagini contengono 'difetti' o 'quadrettature', è probabile che il rapporto di compressione scelto sia troppo alto, come mostra l'esempio della figura (Figura 2):

Figura 1: immagine originale Figura	2: immagine JPEG eccessivamente compressa

Se si sceglie un rapporto di compressione elevato, i file di immagine vengono alleggeriti grazie alla rimozione della quantità e del tipo di dati salvati. Ciò provoca, quasi sempre, la riduzione della qualità dell'immagine visualizzata. L'algoritmo JPEG effettua la compressione utilizzando una serie di tecniche complesse tra cui la 'quantizzazione' ossia l'eliminazione delle informazioni ridondanti contenute in tutte le immagini digitali, ma irrilevanti ai fini della qualità. Una mossa astuta.

L'algoritmo JPEG 2000 rappresenta un ulteriore avanzamento dello standard precedente poiché incorpora la tecnologia wavelet, che essenzialmente elimina la 'quadrettatura' ai livelli di compressione più elevati, sostituendola con una sfocatura generale, meno fastidiosa per l'occhio (Figura 3): 

Figura 3: immagine compressa con JPEG 2000 tramite la tecnologia wavelet

L'algoritmo Motion JPEG o M-JPEG offre un rapporto di compressione elevato ed è particolarmente indicato per le immagini in movimento o i video. Essenzialmente, l'algoritmo M-JPEG vede l'output video digitale come una serie di immagini JPEG. I vantaggi di questo standard sono gli stessi dell'algoritmo JPEG poiché le tecniche di compressione sono le stesse. Entrambi gli standard utilizzano una tecnologia di compressione dei dati relativamente semplice e consentono la creazione di motori di codifica e decodifica economicamente validi. Questo vantaggio si traduce nella possibilità di creare una rete di videocamere, DVR e server video a costi ridotti. È naturalmente possibile anche utilizzare lo standard MJPEG 2000.

MPEG è l'acronimo di Motion Picture Experts Group. Questo comitato fu istituito alla fine degli anni '80 per creare uno standard per la codifica delle immagini in movimento e dell'audio. Da allora, ha sviluppato gli standard MPEG-1, MPEG-2 e MPEG-4. La prossima generazione degli standard comprenderà i formati 'MPEG-7 e MPEG-21.

• MPEG-1 è stato il primo standard ad essere rilasciato pubblicamente nel 1993. MPEG-1 sfrutta le tecniche di compressione video sviluppate per lo standard JPEG integrandole con altre tecniche per la codifica efficiente delle sequenze video. Nei video compressi con l'algoritmo MPEG vengono inserite solo le parti nuove di una sequenza video, mentre le porzioni di immagine invariate vengono semplicemente riutilizzate. Ciò riduce significativamente la quantità di dati da comprimere. MPEG-1 viene generalmente utilizzato per archiviare, per esempio, i video digitali su CD. L'attenzione viene posta sul rapporto di compressione invece che sulla qualità dell'immagine. Molti ritengono che questo standard generi un output di qualità VCR nonostante sia digitale.

• MPEG-2 amplia la tecnica di compressione utilizzata dallo standard MPEG-1, consentendo la gestione di immagini più grandi e di qualità migliore, con rapporti di compressione minori e un conseguente maggior uso di larghezza di banda. Inoltre, offre tecniche più avanzate per migliorare i video con un rapporto di bitstream di 1,5 Mbps. Queste tecniche avanzate hanno un prezzo superiore e rendono MPEG-2 inadatto alla maggior parte delle applicazioni di sorveglianza in tempo reale, nonostante lo standard venga ampiamente utilizzato per comprimere l'output video digitale da archiviare su DVD.

• MPEG-4 supporta anche applicazioni che utilizzano una larghezza di banda minore, come i telefoni cellulari e i PDA, ma gestisce immagini di qualità maggiore e applicazioni con larghezza di banda quasi illimitate. Oggi i film vengono compressi utilizzando lo standard MPEG-4. Anche i videotelefoni usano questo standard. Sia MPEG-2 che MPEG-4 consentono di gestire una vasta gamma di dimensioni, frequenza dei fotogrammi e larghezze di banda. 

MPEG -1 -2 -4 Bit rate max. (Mbps) 1.86 15 15 Larghezza immagini (pixel) 352 720 720 Altezza immagini (pixel) 288 576 576 Frequenza fotogrammi (fps) 30 30 30

Figura 4: la tabella illustra le differenze in termini di dimensioni delle immagini, frequenza dei fotogrammi e larghezza di banda tra le varie versioni dello standard MPEG.

L'algoritmo H.26x, generalmente utilizzato per riferirsi agli algoritmi H.261 e H.263, è stato appositamente sviluppato per le video conferenze ed è quindi in grado di trasmettere dati video e audio su linee con larghezza di banda estremamente limitata, comprese le linee telefoniche analogiche PSTN. Inoltre, è stato utilizzato con ottimi risultati per trasmettere le immagini di sistemi di sorveglianza sulle linee telefoniche standard. Grazie a queste caratteristiche ha conquistato molti sostenitori tra coloro che desiderano limitare il più possibile il consumo di larghezza di banda. 

Tuttavia, quando la capacità di rete e la disponibilità di larghezza di banda non costituiranno più un problema, è probabile che l'H.26x venga impiegato sempre più raramente per i sistemi di sorveglianza IP. Questo algoritmo non è ancora uno standard ma è semplicemente un formato consigliato dall'International Telecommunications Union (ITU).

I diversi algoritmi di compressione offrono funzionalità diverse nonché un diverso grado di flessibilità. Pertanto, prima di scegliere dispositivi e algoritmi di compressione, è sempre consigliabile valutare attentamente le proprie esigenze. 

Il primo elemento da considerare è l'applicazione a cui è destinato il sistema. Deve acquisire fotogrammi di soggetti ed eventi identificabili oppure immagini in movimento? La larghezza di banda è un problema? Di quanta larghezza di banda residua dispone la rete locale per la trasmissione video? È del tutto inutile essere in grado di ricevere immagini eccellenti di qualità DVD in tempo reale dalle videocamere di rete, se la trasmissione delle immagini generata dall'allarme impiega dieci minuti per raggiungere lo schermo del PC del responsabile della sicurezza e non può essere salvata su un dispositivo di archiviazione dedicato senza che questo si sovraccarichi nel giro di poche ore.

Anche il budget è un elemento di cui tenere conto. Algoritmi più complessi aumentano i costi dei sistemi di sorveglianza nonché il costo complessivo della soluzione scelta. Quindi, indipendentemente dal sistema, è sempre importante trovare un giusto compromesso tra qualità e dimensioni delle immagini, velocità e nitidezza, prestazioni e costi. L'algoritmo di compressione ha un grosso impatto nella scelta della soluzione ideale. Pertanto, è indispensabile tenerne conto nella progettazione di qualsiasi sistema di sicurezza. 

Per informazioni dettagliate sulle tecniche di compressione video digitali, fare clic qui. Questo collegamento permette di visualizzare un esauriente White Paper sulla compressione video digitale che descrive le metodologie e gli standard da utilizzare per la trasmissione e l'archiviazione di video.

* fonte Axis Communications

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