High Definition Stream Management – Teil 2 - Die technischen Details

Herausforderungen

In „Teil 2: Die technischen Details“ gehen wir auf die Grundlagen und die wichtigsten Konzepte dieser revolutionären Technologie ein und erläutern ausführlich das effiziente Management des HD-Videomaterials bei gleichzeitiger Bewahrung überragender Bilddetails.

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High Definition Stream Management –  Part 2 - The Technical Details


Die technischen Details

In Teil 1 des Whitepapers „High-Definition Stream Management (HDSM)™ – maximale Skalierbarkeit und effizientes Bandbreiten-Management“ beschäftigte sich mit den Herausforderungen im Zusammenhang mit der Bewahrung einer hohen Bildqualität und -auflösung bei zunehmender Kameraanzahl und den Details der HDSM™-Technologie von Avigilon – einer speziell für das Bandbreitenmanagement entwickelten Technologie. In „Teil 2: Die technischen Details“ gehen wir auf die Grundlagen und die wichtigsten Konzepte dieser revolutionären Technologie ein und erläutern ausführlich das effiziente Management des HD-Videomaterials bei gleichzeitiger Bewahrung überragender Bilddetails.


Die Wurzeln von HDSM: JPEG2000

Mit HDSM wurde eine wegweisende Technologie eingeführt, die besonders in Kombination mit der JPEG2000-Kompressionsplattform effektiv ist. Dies war in erster Linie auf die dynamische Anpassungsfähigkeit von JPEG2000 in Verbindung mit hochauflösenden Bildern zurückzuführen. Der Grund: JPEG2000 ist eine Einzelframe- (oder Intraframe-)Kompressionstechnologie, die auf jeden von einer Kamera aufgezeichneten Frame einen Kompressionsalgorithmus anwendet. Das dadurch entstehende Video setzt sich aus einzeln komprimierten Frames zusammen, die keine Informationen aus anderen Frames benötigen. Damit kann jeder Frame unabhängig aufgerufen werden, was den schnellen Zugriff auf das aufgezeichnete Video ermöglicht. Ein einzigartiges Feature des JPEG2000-Standards ist die Aufteilung. Die JPEG2000-Aufteilung unterteilt das Bild in rechteckige Bereiche von unterschiedlicher Größe, die jeweils separat umgewandelt und codiert werden. Diese Unterteilung des Bilds in Kacheln hat den Vorteil, dass weniger Rechenleistung benötigt wird, wenn lediglich die benötigten Kacheln decodiert werden.

Die HDSM™-Technologie machte sich die Granularität des JPEG2000-Standards zunutze, sodass das Video in verschiedenen Auflösungen und innerhalb bestimmter Teile und Schichten des Bilds gespeichert, aufgerufen und übermittelt werden konnte.


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Wechsel zu H.264

Da bei Komponenten für Videoüberwachungssysteme immer häufiger der H.264-Kompressionsstandard zum Einsatz kommt, entwickelte Avigilon die HDSM 2.0-Technologie – eine neue, mit der H.264-Kompression kompatible HDSM-Generation. Die HDSM™ 2.0-Technologie bietet ähnliche Features wie die ursprüngliche Version, verbindet jedoch die Vorteile der geringeren Bandbreite komprimierter H.264-Videos mit der Möglichkeit, Bilder in Kacheln zu unterteilen. Die H.264-Kompression ist zwar ein gängiger Standard, der verglichen mit der JPEG2000-Kompression Videostreams mit einer deutlich geringeren durchschnittlichen Bitrate liefert, es war technisch jedoch nicht ganz einfach, bei der Implementierung der HDSM-Technologie die gleiche Granularität zu erzielen.


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Als temporaler Kompressionsstandard speichert H.264 grundsätzlich nur inkrementelle Änderungen zwischen Frames und in regelmäßigen Abständen einen vollständigen Frame. Dadurch ergibt sich ein Videostream, der über mehrere Frames hinweg komprimiert wurde und sich nicht wie bei JPEG2000 aus einer Reihe einzelner Frames zusammensetzt. Die HDSM 2.0-Technologie verfügt über ein ähnliches Bildaufteilungsfeature wie bei JPEG2000, nun allerdings mit H.264-Kompression – ein technologischer Durchbruch für Avigilon. Mit der Kombination aus aufteilungsbedingter Flexibilität beim Speichern, Aufrufen und Übertragen von Bildern und geringerer Bitrate dank H.264 kann in Systemen, in denen ausschließlich die H.264-Kompression zum Einsatz kommt, eine einzigartige, erstklassige Netzwerkleistung erzielt werden. Diese Leistungsverbesserung wird besonders bei der Verwendung von Kameras mit höherer Auflösung (beispielsweise ab 5 MP) und einer höheren Gesamtanzahl von Kameras deutlich.


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Gegenüberstellung von HDSM-Technologie und Transcodierung

Die Transcodierung – eine nicht nur in der Videoüberwachungsbranche beliebte Konvertierungsmethode – ist kein Bestandteil der HDSM™-Technologie. Die Transcodierung wird in der Regel angewendet, wenn ein Zielgerät das Format nicht unterstützt oder nur über eingeschränkte Speicherkapazität verfügt. Mithilfe der Transcodierung lassen sich auch nicht kompatible oder veraltete Daten in ein modernes Format mit besserer Unterstützung umwandeln. Im Bereich der Videoüberwachung kommt die Transcodierung beispielsweise häufig zwischen dem Videomanagementserver und der Sitzung eines HTML- und/oder Mobilgeräteclients zur Anwendung. Manche argumentieren, dass bei den meisten Videoüberwachungstechnologien eigentlich Transrating verwendet wird. Bei diesem dem Transcodieren ähnlichen Verfahren werden die Dateien mit einer geringeren Bitrate codiert, ohne jedoch das Videoformat zu ändern. Dadurch beanspruchen vorhandene Medien weniger Speicherplatz und können über Verbindungen mit geringerer Bandbreite übertragen werden. Die Transcodierungstechnologie hat allerdings auch Nachteile:

  1. Die Transcodierung ist ein rechenintensiver Vorgang. Dies wird deutlich, wenn der Benutzer ein mittels Transcodierung oder Transrating umgewandeltes Video per Remotezugriff oder auf seinem mobilen Gerät anzeigen möchte. Die aufgrund der Pufferung auftretenden Wartezeiten bzw. der Umstand, dass das Video angehalten werden muss, um die volle Auflösung zu erhalten, machen die Verwendung nicht gerade benutzerfreundlich. Mit der HDSM-Technologie wird dieses Problem umgangen. 
  2. Die gemeinsame Nutzung der CPU-Ressourcen mit anderen Softwarediensten führt je nach Ressourcenverfügbarkeit u. U. zwangsläufig zu mehr oder weniger starken Leistungseinbußen. Da HDSM die Kerntechnologie der Avigilon Control Center (ACC)-Software darstellt, beansprucht die Verwendung von ACC keine Ressourcen für die Software allein.
  3. Durch den Einsatz spezieller Hardware für die Transcodierung. Dies hat zwar eine deutliche Leistungssteigerung zur Folge, die Skalierung in mittelgroßen oder umfangreichen Kameraszenarien kann jedoch schwierig und teuer sein. So unterstützt beispielsweise jedes Hardwaregerät für die Transcodierung unter Umständen nur bis zu vier Streams und immer nur eine einzelne Sitzungsanforderung. Für den HDSM-Betrieb wird keine spezielle Hardware benötigt. Dies ermöglicht eine kostengünstige und problemlosere Anpassung an Umgebungen mit einer größeren Anzahl von Kameras mit höherer Auflösung. 

Letztendlich ist die Transcodierung rechenintensiv und kann die Leistungsfähigkeit des Videomanagementsystems beeinträchtigen.


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Positive Auswirkungen der HDSM™-Technology auf das restliche System

HDSM™ ist eine fortschrittliche Technologie zur Effizienzsteigerung beim Videostreammanagement über ein Netzwerk ohne Erweiterung der Netzwerkinfrastruktur. HDSM 2.0 beansprucht beispielsweise keinerlei zusätzliche Rechenleistung Ihrer Netzwerkhardware. Im Gegenteil: Die Rechenleistung, die für einen H.264-Kamerastream mit HDSM 2.0 benötigt wird, konnte im Vergleich zu den Vorgängerversionen sogar gesenkt werden. Das funktioniert so:

  1. Die Decodierung auf dem Client kann parallel von mehreren Prozessorkernen durchgeführt werden, was eine effektivere Nutzung von Multi-Core-Computern mit geringerer Taktfrequenz für den ACC-Softwareclient ermöglicht. 
  2. Der Client muss nur sehr selten das gesamte Sichtfeld bei voller Auflösung decodieren. 

Dadurch können die HDSM 2.0-Funktionen von standardmäßiger handelsüblicher Hardware sowie von vorhandener Avigilon-Hardware mit älteren ACC-Softwareversionen als ACC 5.2 mithilfe eines Softwareupgrades genutzt werden.


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Videolatenz

Bei der Ressourcennutzung der HDSM 2.0-Technologie wird darauf geachtet, dass sich weder die Videolatenz erhöht noch die Bildqualität verschlechtert. Der Benutzer kann also ganz flexibel Auflösung und Gesamtanzahl der Kameras erhöhen, ohne Abstriche bei der Videoqualität in Kauf nehmen zu müssen.


Fazit

Systemintegratoren und Endbenutzer, die ihr Videoüberwachungssystem erweitern möchten, profitieren bei der Avigilon Control Center-Software mit HDSM™-Technologie von mehr Leistung und Flexibilität. Mit HDSM 2.0 hat Avigilon die H.264-Kompression mit intelligenter Bandbreiten-Managementtechnologie gekoppelt, um eine effektive Lösung zu schaffen, die eine flexible Skalierbarkeit von Kameraanzahl und Auflösung ermöglicht. All dies wird ohne zusätzliche Hardware für mehr Rechenleistung, ohne Erhöhung der Videolatenz und ohne Beeinträchtigung der Bildqualität erreicht. Somit kann der Benutzer problemlos die Vorteile der HDSM 2.0-Technologie mit der vorhandenen Hardware nutzen und bei unverändert hohen Bilddetails die Bandbreitenauslastung verringern.

Teil 1 lesen – High Definition Stream Management



Glossar

ACC-Version Aktuelle ACC-Version mit Kamera getestet. Falls nicht anders angegeben, werden auch höhere Versionen von ACC unterstützt.
Audio-Eingang Audiofeed von Kamera empfangen
Audioausgabe Audio an mit der Kamera verbundene Lautsprecher senden
Automatische Erkennung Automatische Erkennung von Kamera-IP-Adressen bei Verbindung in einer LAN-Umgebung
Komprimierungskategorie Beschreibt die für die Kamera unterstützten Codierungstypen
Anschlussart Beschreibt den Typ des verwendeten Gerätetreibers. „Nativ“ bezieht sich auf den spezifischen Gerätetreiber des Herstellers.
Entzerrung Entzerrung von Fischaugen- oder Panoramakameras im Client
Digitaler Input Empfang von digitalen oder Relaiseingaben von der Kamera
Digitaler Output Auslösung von digitalen oder Relaisausgaben, die physisch mit einer Kamera verbunden sind
Bewegung Schnelle Anzeige, ob Bewegungsaufzeichnung für die Kamera verfügbar ist
Bewegungskonfiguration Konfiguration der Bewegungserkennung im ACC-Client
Bewegungsaufzeichnung Unterstützung von bewegungsbasierter Aufzeichnung
PTZ Schnelle Anzeige, ob PTZ-Funktionen für die Kamera verfügbar sind
PTZ-Steuerung Grundlegende PTZ-Bewegung
PTZ-Muster/-Touren Möglichkeit zum Erstellen und Auslösen von PTZ-Mustern oder PTZ-Touren je nach Kameraunterstützung
PTZ-Voreinstellungen Erstellen und Auslösen von voreingestellten PTZ-Positionen
Einheitentyp Kameratyp
Verifiziert von Organisation, die eine Kamera und die angegebenen Funktionen getestet hat
Verifizierte Firmware Specific firmware version tested.
Hersteller Blah
Modell DS-2DE2103
Anschlussart ONVIF
Einheitentyp IP-PTZ-Kamera
Compression Types H.264

  • ACC-Version
  • Modell DS-2DE2103
  • Anschlussart ONVIF
  • Hersteller Blah
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  • Hersteller Blah
  • Hersteller Blah
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