Siegertechnik - ABUS Security-Center

Kompression
auf das Wesentliche
JPEG2000 setzt neue Maßstäbe bei der digitalen Videoaufzeichnung
ie Sicherheitstechnik stellt
D hohe Anforderungen an die
digitale Videotechnik. Im magischen
Dreieck „optimale Bildqualität
– geringer Speicherbedarf
- robustes Format“ geraten JPEG
und viele andere Formate schnell
an ihre Grenzen. Der JPEG2000-
Standard verspricht hier Abhilfe.
securitytrends | Nr. 1 | 2007
Die Gründe liegen im JPEG-Standard
selbst: Sein Kompressionsalgorithmus
ist nicht für starke
Komprimierungsraten unter 0,25
Bit pro Pixel ausgerichtet. Texte,
Grafi ken und scharfe Kanten
sind ebenfalls nicht seine Stärke,
denn das Format wurde vor
allem für natürliche Bildvorlagen,
wie Landschaften und Personen,
entwickelt. Im Bereich der Sicherheitstechnik
treten weitere
Schwächen zutage: Das Format
ist wenig robust, wenn Übertragungsfehler
auftreten. Außerdem
kann man angesichts über 40 verschiedener,
teils proprietärer Optionen
und Erweiterungen kaum
noch von einem einheitlichen
Standard sprechen. Die Joint Photographic
Expert Group (JPEG),
eine gemeinsame Experten-Gruppe
der internationalen Standardisierungsgremien
ISO und ITU,
erkannte den Bedarf und verabschiedete
2001 den leistungsfähigeren
JPEG2000-Standard.
Dieser beseitigt die Probleme von
JPEG und bietet weitere Vorteile
gegenüber herkömmlichen Kompressionsverfahren.
Mehr Bild bei wenig Platz
Vor allem bei hohen Kompressionsraten
mit weniger als 0,25 Bit
pro Pixel kann JPEG2000 durch
seinen überlegenen Algorithmus
Qualitätsvergleich bei gleicher Dateigröße (3,64 KB): Links das JPEG, in der Mitte das JPEG2000 und rechts als Referenz
das unkomprimierte Original. Quelle: www.pixelio.de
JPEG ist wahrscheinlich das bekannteste
und häufi gste Format
für Bilddaten. Seine Abwandlung
als Motion-JPEG ist in der
Sicherheitstechnik für Bewegtbilder
weit verbreitet. Genauso
bekannt wie das Format sind
aber auch seine Probleme. Es
gibt kaum jemanden, der sich
nicht schon einmal über bis zur
Unkenntlichkeit komprimierte
Bilder oder unleserlichen Text
geärgert hätte. Gerade bei starken
Kompressionsraten erreicht
JPEG keine zufriedenstellende
Qualität mehr. Große Pixelblöcke
und Farbfehler überlagern das eigentliche
Bild und der Inhalt ist
nur noch schwer zu erkennen.
Produkte von Security-Center
Die Eytron Ecoline Digitalrekorder
von Security-Center, die
ab sofort als Vier-, Acht- und
16-Kanal-Version angeboten
werden, nutzen das moderne
JPEG2000-Format für die
Speicherung der Videodaten.
Das macht die Rekorder zu fl exibel
einsetzbaren Speicherplatz-Wundern,
die mühelos
auch rund um die Uhr aufzeichnen
können. Und das bei einem
ausgesprochen attraktiven
Preis/Leistungs-Verhältnis.
wesentlich bessere Ergebnisse
erzielen als JPEG. Dazu trägt
auch die variable Blockaufteilung
bei. Anstatt wie bei JPEG
ein Bild einheitlich in acht mal
acht Pixel große Bereiche einzuteilen,
gilt bei JPEG2000: Je größer
die Aufteilung, umso weniger
Blockartefakte werden sichtbar.
Die Möglichkeit, so genannte
„Regions of Interest“ (ROI) auswählen
zu können, erlaubt eine
dynamische Kompression. Dazu
werden einzelne Bildteile als besonders
wichtig oder interessant
defi niert und dann weniger stark
– oder gar verlustfrei – komprimiert.
Der „unwichtige“ Rest wird
mit einer höheren Kompression
gespeichert.
Insgesamt ergibt sich eine deutlich
bessere Qualität bei niedrigem
Speicherbedarf. Die Übergänge
von verlustloser zu verlustbehafteter
Komprimierung sind bei
JPEG2000 fl ießend. Sogar der
verlustfreie Modus bringt eine
gute Kompressionsrate von bis zu
2:1. JPEG2000 erreicht gegenüber
JPEG einen um 20 bis 30 Prozent
höheren Kompressionsgrad.
Flexibler Datenstrom
Komprimierte Bilddaten sind normalerweise
unbrauchbar, wenn
sie nicht vollständig übertragen
und in den Arbeitsspeicher eines
Gerätes geladen werden können.
Der fl exible Datenstrom von
JPEG2000 und seiner Bewegtbildvariante
Motion-JPEG2000
erlaubt es dagegen, an beliebiger
Stelle in den Datenstrom einzugreifen,
bestimmte Segmente
erneut zu übertragen oder zu extrahieren.
So ist es möglich, aus
dem komprimierten Datenstrom
Bildausschnitte zu entnehmen
sowie niedrig oder hoch aufgelöste
Bilder zu extrahieren. Die
Aufl ösung und Geschwindigkeit
des
Videos lässt sich sogar
noch während
der Wiedergabe variieren.
Flexibel ist
auch die Abfolge der
Daten: Die ROI als
besonders wichtige
Bildinformationen
können bevorzugt
übertragen werden.
Motion-JPEG2000 hat gegenüber
MPEG-Formaten außerdem den
Vorteil der wesentlich geringeren
Komplexität. Es kann dadurch
leichter verarbeitet werden.
Technischer Hintergrund
Die technischen Unterschiede zu
JPEG sind elementar. JPEG2000
liegt ein ganz anderer Algorithmus
zu Grunde. Statt der „Diskreten
Cosinus-Transformation“
(DCT) wird die Wavelet-Analyse
angewandt. Diese beschreibt
ein Bild als Zusammensetzung
„mathematischer Elementarteilchen“
aus relativ kurzen zeitlich
und räumlich begrenzten
Schwingungen. Vor allem harte
Kanten und abrupte Übergänge
in einem Bild lassen sich damit
wesentlich leichter beschreiben.
Allerdings wird das Kompressionsverfahren
dadurch auch
komplexer und aufwändiger als
bei herkömmlichem JPEG. Moderne
Systeme sind allerdings
heute so leistungsfähig, dass die
höheren Hardware- und Softwareanforderungen
nicht besonders
ins Gewicht fallen.
ABUS
Group
Überblick Video-Codecs
JPEG/Motion-JPEG
Das älteste unter den komprimierten
Bildformaten. Festgeschrieben
im Standard ISO/IEC IS 10918-1.
Diente als Ausgangsbasis für
JPEG2000 und für die MPEG-
Formate. Wird hauptsächlich für
digitale Fotografi en eingesetzt, in
der Videoüberwachung auch als
M-JPEG Videocodec. Vorteil ist
die geringe Komplexität des Formats,
Nachteile sind die hohe Datenmenge,
schlechte Qualität bei
starker Kompression und die Fehleranfälligkeit.
MPEG-2
MPEG-2 wurde von der Moving
Picture Experts Group (MPEG)
im Standard ISO/IEC 13818 festgelegt.
Es ist der Nachfolger des
MPEG-1-Formats und kann Video
und Audio enthalten. In erster Linie
wird MPEG-2 für Videos auf
DVDs und für das digitale Fernsehen
DVB eingesetzt. Vorteil ist die
hohe Qualität, nachteilig die relativ
hohe Datenrate.
MPEG-4
MPEG-4 ist ein MPEG-Standard
nach ISO/IEC-14496, der anfangs
für Systeme mit schmalen Bandbreiten
entwickelt wurde. Sein
Einsatz sowohl für die Kompression
von Spielfi lmen als auch für
die Übertragung über das Internet
haben dagegen seine breitere
Anwendbarkeit gezeigt. In der Videoüberwachung
spielt MPEG-4
gerade im Bereich der Netzwerkkameras
eine immer größere Rolle.
H.264, MPEG-4/AVC
H.264 oder MPEG-4/AVC, wie es
nach ISO/IEC genannt wird, ist ein
relativ neues hocheffi zientes Videoformat.
Es wird als Weiterentwicklung
von MPEG-4 betrachtet
und zeichnet sich durch eine vielseitige
Einsetzbarkeit von geringen
Bandbreiten bis hin zu HDTV aus.
Die Effi zienz der Codierung ist bei
vergleichbarer Qualität etwa dreifach
höher als bei MPEG-2. Aber
auch der Rechenaufwand ist um
den Faktor zwei bis drei größer.
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