Videokompressionsstandard H.264 SVC

Fachartikel aus PROTECTOR 5/2010, S. 24

Multitalent Codec

Mit dem Kompressionsstandard H.264-SVC steht ein Werkzeug zur Verfügung, dass insbesondere in komplexen Anwendungen das Videostreaming effizienter macht.

Bild: UTC Fire & Security
Multi-Streaming mit mehreren Encodern und einem H.264-SVC Encoder. (Bild: UTC Fire & Security)

Besonders in komplexen IP-basierten Videoüberwachungssystemen, wie sie auf Flughäfen, in Gefängnissen oder Casinos, bei Verkehrsüberwachungen oder auch in Industrieanlagen anzutreffen sind, werden für verschiedene Aufgaben Videodatenströme in unterschiedlichen Bildgrößen, – raten und -qualitäten benötigt. So wird zum Beispiel in den meisten Anwendungen die Bildaufzeichnung mit einer höheren Bildqualität, aber mit einer geringen Bildrate erfolgen als sie etwa in Kontrollräumen zur Live-Bildbeurteilung erforderlich sind. Vielfach erfolgen auch Zugriffe auf die Bilddaten über Schmalband-Verbindungen, wie DSL und Mobilfunk, oder nicht ausreichend verfügbaren Bandbreitenkapazitäten, die den Datendurchsatz auf bestimmten Verbindungen stark einschränken.

Anfällig gegenüber Schwankungen

Zur hocheffizienten Bilddatenreduktion hat sich in diesen Anwendungen der Videobildkompressionsstandard H.264 (MPEG-4/Part 10, ISO/IEC 14496-10) schon seit einiger Zeit durchgesetzt, bietet er doch typischerweise eine dreimal so hohe Codiereffizienz wie MPEG-2 und ist auch für hoch aufgelöste Bilddaten, wie zum Beispiel bei HDTV, ausgelegt. Bereits im Jahre 2003 von ITU und ISO/IEC JTC1 verabschiedet, bietet er jedoch nur eine sehr eingeschränkte Skalierbarkeit, so dass vielfach in Multi-Streaming-Anwendungen, wie sie zuvor beschrieben wurden, für Bilddatenströme einer Bildquelle (zum Beispiel Kamera) mit unterschiedlichen Eigenschaften jeweils ein eigener Encoder pro Stream zum Einsatz kommt. Des Weiteren ist ein H.264 Videostream recht störanfällig gegenüber Schwankungen in der erforderlichen Übertragungsbandbreite, so dass ein Unterschreitungswert größer fünf Prozent bereits deutlich sichtbare Bildstörungen verursachen kann und ab einer Unterschreitung von 20 Prozent der Videostream unterbrochen wird.

Geringe Latenz

Im Juli 2007 wurde daher von der JVT (Joint Video Team der ITU-T und ISO/IEC JTC1) eine offizielle Erweiterung (Annex G – SVC) für den H.264 Codec (MPEG-4/Part 10, ISO/IEC 14496-10) verabschiedet, die die gleichzeitige Generierung von unterschiedlichen Bildraten, Frequenzen und Qualitäten innerhalb eines einzigen Videostreams ermöglicht und dabei über eine sehr geringe Latenz von typisch < 150 bis 200 Millisekunden (End-to-end-delay) verfügt.

Als Weiterentwicklung baut SVC (Scalable Video Coding) auf H.264 (MPEG-4/Part 10, ISO/IEC 14496-10) auf und übernimmt einen Großteil der Komponenten wie bewegungskompensierte Prädiktion, Intra-Prädiktion, Transformation, Entropie-Codierung, Multiple Reference Pictures, Deblocking-Filter und Paketierung in NAL (Network Abstraction Layer). Eine wesentliche Änderung ist aber, dass es sich bei SVC um eine Weiterentwicklung zu einem so genannten „Layered Video Codec“ handelt. Das heißt, der Videostream besteht nun aus mehreren Layern, dem Base-Layer und den Enhancement-Layern. Der Base-Layer beinhaltet dabei die Informationen eines kompletten Videostreams und ist der Teil, der mit H.264 (MPEG-4/Part 10, ISO/IEC 14496-10) kompatibel ist. Die Enhancement-Layer beinhalten dagegen nur Differenzinformationen, die, basierend auf dem Base-Layer, zur Generierung von Video-Substreams mit höherer Bildauflösung, Bildrate und Bildqualität erforderlich sind (dreidimensionale Skalierbarkeit).

Encoder-Leistung entscheidet

In einer Videoüberwachungsanwendung würde der Base-Layer typischerweise den in dem System niedrigsten Anforderungen in Bezug auf Bildfrequenz, -größe und -qualität entsprechen, zum Beispiel fünf Bilder pro Sekunde, CIF Bildauflösung (352 mal 288 Pixel), geringe Bildqualität (hohe Kompression). Für jede weitere höhere Bildfrequenz, -größe und –qualität werden dann entsprechende Enhancement-Layer benötigt. Die Anzahl der Enhancement-Layer und somit die Anzahl der Video-Substreams mit unterschiedlichen Bildeigenschaften ist maßgeblich von der Encoder-Leistung abhängig. So kann das Visiowave Videoüberwachungssystem der Firma UTC Fire & Security (ehemals GE Security) mit einem Encoder einen H.264-SVC Videostream mit zwölf unterschiedlichen Substreams generieren.

Verbesserte Wirtschaftlichkeit

Heute hauptsächlich im Bereich Videoconferencing und im oberen Marktsegment für Videoüberwachung (wie Flughäfen, Casinos oder Tunnelüberwachung) zu finden, wird H.264-SVC sicherlich auch Einzug ins mittlere Marksegment finden. Die Vorteile liegen klar auf der Hand, neben der von H.264-AVC bekannten Bildqualität bietet H.264-SVC durch seine Skalierbarkeit eine wesentlich geringere Bandbreitenbelastung und geringere Kosten in Multi-Streaming-Anwendungen. Des Weiteren eine geringere Latenz und ist wesentlich unempfindlicher gegen Bandbreitenschwankungen als H.264-AVC oder andere Codecs der MPEG-4-Familie. Eigenschaften, die aufgrund von Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit für sich selbst sprechen.

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ViSiTec Video-Sicherheit-Technik GmbH

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