Videokompression
Wenig Speicherplatz für viele Details
In der Videoüberwachung ist das Thema Kompression von großer Bedeutung. Die Anzahl der eingesetzten Kameras steigt, die Auflösungen werden immer größer, und die Detailschärfe nimmt weiter zu. Die wachsenden Datenmengen zu speichern, ist eine elementare Aufgabe der Videotechnik.
Zudem sollte die Komprimierung möglichst intelligent erfolgen, um relevante Details nicht zu zerstören. Bei den Komprimierungsmethoden gibt es große Unterschiede, und viele Ansätze haben leider wenig mit dem forensischen Ansatz der Videoüberwachung zu tun.
Intelligente Videokompression versucht den Spagat zwischen der Bewahrung von Details und der Reduzierung der aufkommenden und stetig steigenden Datenmengen. Mit der Einführung der Zipstream-Technologie hat Axis Communications 2015 hier einen Standard gesetzt und diese Technologie kontinuierlich weiterentwickelt. Generell versprechen viele Hersteller den Einsatz intelligenter Komprimierungsverfahren und oberflächlich betrachtet sind die Methoden sehr ähnlich.
Wie immer lohnt es sich, die Technologien vor der Anwendung genauer zu beleuchten. Denn nach wie vor dominieren sehr einfache Kompressionsmethoden, die die Grundeinstellungen in den Kameras und die vermeintliche Intelligenz berücksichtigen sowie die Bildrate im Blick haben. Jedoch leidet bei diesen Lösungen oftmals die forensische Qualität der Bilder.
Die Herausforderung bei der Komprimierung ist vor allem die Rund-um-die-Uhr-Überwachung einer Szene. Schließlich kann sich deren Komplexität laufend ändern: Die Vegetation wächst, oder das Ladengeschäft erhält eine neue Dekoration.
Allgemein gilt: Eine geringe Komplexität einer Szene resultiert in einer geringen Bitrate und niedrigen Anforderung an den Speicherplatz. Hohe Komplexität erzeugt entsprechend größere Datenmengen und erfordert mehr Speicherkapazität, was zu höheren Kosten führt.
Verändern sich Szenen nicht, kann eine richtig eingestellte Kamera mit einer konfigurierten Kompression optimale Ergebnisse für die festgelegten Anforderungen erzielen - theoretisch. Doch da diese Annahme nicht realistisch ist, sind dynamische Technologien gefordert, damit der Anwender nicht bei jeder Veränderung der überwachten Szene die Kamera neu konfigurieren muss.
Hersteller haben hier unterschiedliche Ansätze. Eine davon ist die Zipstream-Technologie. Hier erfolgt eine dynamische und vollständige Analyse eines Bilds zu jedem Zeitpunkt. Zudem kommt es zu einer verstärkten Komprimierung von irrelevanten Bildinhalten. Die Herausforderung besteht in der Erkennung der nicht relevanten Bildinhalte, sodass der Anwender auf der einen Seite keine Kompromisse im Hinblick auf die Qualität eingehen muss und die Bandbreite auf der anderen Seite nicht unnötigerweise strapaziert wird.
Ist eine Szene nicht besonders komplex, dann kann die Zipstream-Funktion die Bitrate in manchen Momenten bis auf null reduzieren. Eine sehr komplexe Szene hingegen kann eine sehr hohe Bitrate erzeugen, zumindest sofern alle Inhalte von Bedeutung sind. Beispiele für eine solche Szenenkomplexität sind der Eingang in einem Einkaufszentrum oder der Treppenaufgang in einem Bahnhof. Videoforensiker beklagen regelmäßig das Fehlen von Details im aufgezeichneten Videomaterial - obwohl hochauflösende und moderne IP-Kameras zum Einsatz kommen.
Videokompression im Überblick
Hauptursache dafür ist die Nutzung von für die Videoaufzeichnung ungeeigneten Komprimierungsmethoden, die bereits bei mittlerer Szenenkomplexität versagen und forensisch relevante Details zerstören. Im Regelfall basieren diese Methoden auf der Kappung beziehungsweise Begrenzung von Bitraten, der Maximum Bitrate (MBR) oder Constant Bitrate (CBR). Beide sind nicht im Ansatz intelligent.
Einige grundsätzliche Informationen helfen, das Thema Kompression besser zu verstehen:
1. Videokompression ist nicht verlustfrei. Einmal komprimiert, lassen sich die unkomprimierten Ursprungsinformationen nicht wiederherstellen - im Gegensatz zur Dateikompression, die verlustfrei komprimiert.
2. Komprimierung ist nur dann möglich, wenn es Ähnlichkeiten gibt. Je geringer zum Beispiel die Übereinstimmung eines Frames mit seinem Vorgänger ist, desto weniger lässt sich bei Bandbreite und Speicherplatz einsparen.
3. Mit H.264 und H.265 kann man die Bitrate fast beliebig manipulieren. Diese Methoden sind nicht explizit auf die Bewahrung der Bildinformationen ausgerichtet, sondern dienen primär zur Reduzierung der Bitrate.
4. Bitratenbegrenzungen wie MBR oder CBR sind Instrumente, die die Hersteller in der Videoüberwachung sehr oft per Default einsetzen.
5. Besonders kritisch sind niedrige Limits, die in der Realität zu deutlichen Kompressionsartifakten führen, insbesondere wenn die Szene stark bewegt ist und die Limits sehr niedrig definiert sind.
Das Problem von H.264 und H.265
Eine gern getätigte Aussage von Herstellern, die mit einem proprietären Ansatz und gegen Industriestandards arbeiten, ist, dass sich die Videokompressionsstandards H.264 und H.265 nicht für die Videoüberwachung eignen. Auch wenn die Aussage grundsätzlich falsch ist, enthält sie einen wahren Kern. H.264 und H.265 sind beides Sammlungen von Methoden zur Komprimierung von Videomaterial. Je höher der Anspruch an die Bildqualität ist, desto vorsichtiger sollte die Auswahl der möglichen Methoden erfolgen. Je größer allerdings der Wunsch nach der Reduzierung des Datenvolumens ist, desto optimistischer sollte man vorgehen.
Im TV- und Kinobereich geht es nicht um den forensischen Ansatz. Dank des professionellen Einsatzes von Licht sowie idealen Kamerapositionen, sind die Details schon grundsätzlich auf sehr hohem Niveau. Außerdem verfügen Broadcaster über einen elementaren Vorteil: Die Kompression erfolgt nicht in Echtzeit. Stattdessen wird unkomprimiert gefilmt und im Nachhinein wird für jeden Anwendungsfall das Material auf performanten Servern entsprechend komprimiert. Mehrfache Durchläufe (Multi-Pass-Encoding) sorgen zudem für optimale Ergebnisse. Bei Blu-Ray-Disks steht beispielsweise die Qualität im Vordergrund, entsprechend umfangreich sind die Datenmengen. Die diversen Streaming-Anbieter müssen allerdings im Bereich Qualität einige Abstriche machen. Die Bilddetails sinken, was der Filmhandlung jedoch kaum schadet.
In der Videoüberwachung muss die Komprimierung hingegen in Echtzeit direkt in der Kamera erfolgen. Kombiniert ein Kamerahersteller die Möglichkeiten von H.264 oder H.265 nicht sorgfältig genug, dann sinkt neben der Bitrate auch die Bildqualität oft auf ein niedriges Niveau. Obwohl ersteres wünschenswert ist, liegt im Letzteren eine der Hauptursachen für die Beschwerden der Videoforensiker.
Intelligente Videokomprimierung
Eine intelligente Komprimierungstechnologie analysiert das Bild vor der Komprimierung. Der Encoder in der Kamera enthält dazu entsprechende Informationen und entscheidet daraufhin, wo im Bild komprimiert werden darf. Dieser Ansatz orientiert sich an den Anforderungen der Videoforensiker. Er schont relevante Details und komprimiert irrelevante Bildinhalte stärker. Dadurch leidet die Bildqualität nicht und der Forensiker erhält ein optimales Bild.
Hersteller, die in ihren Default-Einstellungen die Bitraten auf sehr niedrige Werte begrenzen, tragen die Hauptverantwortung für die daraus resultierende niedrige Bildqualität im Ernstfall. Man kann jedoch nicht erwarten, dass sich Facherrichter mit der Videokompressionstechnik bestens auskennen.
Bei intelligenten Komprimierungstechnologien wie Zipstream stellt die Bitratenbegrenzung eine mögliche Ergänzung dar - doch dies hängt auch vom Einsatzszenario ab. Beispielsweise liefert eine Kamera mit 1.080 Pixeln und 25 fps in der Verkehrsüberwachung weiterhin eine gute Übersicht, obwohl man sie auf 500 KBit/s begrenzt hat. Bei der Nummernschilderkennung sollte man der Bitrate allerdings mehr Raum geben.
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