Fachartikel aus PROTECTOR Special Videoüberwachung 2016, S. 38 bis 39

Weniger Bandbreite Informationen bewahren

Heutzutage bieten Kameras Auflösungen im Megapixel- und Full-HDTV-Bereich, und die ersten Modelle mit 4K Ultra HD sind bereits auf dem Markt. Hohe Bildraten, die Wide-Dynamic-Range-Technologie und moderne Bildsensoren stellen hohe Anforderungen an die Bandbreite und den Speicherbedarf.

Bild: Axis Communications
Der Vergleich von Zipstream-Komprimierung versus ohne: Durch die Komprimierung entstehen keine erkennbaren Qualitätsunterschiede. (Bild: Axis Communications)

Systembetreiber stehen daher unter dem Druck, die zugrunde liegende Netzwerkinfrastruktur und die Speicher-ressourcen intelligent zu verwalten. Ist das System so konfiguriert, dass es das Bildmaterial automatisch überschreibt, bevor es ausgewertet worden ist, oder dass dessen Qualität zu niedrig ist, kann es nicht zur Beweisführung beitragen. Dabei ist die Hauptaufgabe einer Videoüber-wachungsanlage die Sicherstellung von Beweismitteln. Sicherheitskameras liefern visuelle Daten und zusätzliche Informationen zu Ereignissen. Diese helfen idealerweise dabei, Personen zu identifizieren und geben Geschehnisse wieder.

Übeltäter: Videokompression

Ohne umfangreiches Fachwissen können Anwender Ursachen für Qualitätseinbußen nur schwer erkennen. Denn auch wenn eine Kamera theoretisch in der Lage ist, gestochen scharfe Bilder zu liefern, und dies auch im Testaufbau bewiesen hat, weichen die Ergebnisse in einer Echtzeitumgebung oftmals stark ab.

Die Grundlage für die meisten IP-basierten Überwachungssysteme ist heute die H.264-Videokomprimierung, die für geringere Anforderungen an Bandbreite und Speicher sorgt. Die Komprimierung erfolgt durch Reduzieren und Löschen redundanter Informationen. Der verwendete Algorithmus erkennt die Regionen im Video, die bereits übertragen wurden und im nächsten Bild nicht erneut übertragen werden müssen.

Die mit Abstand häufigste Ursache für schlechte Resultate liegt in der Videokompression. Installation, Ausrichtung und Kameraeinstellungen – diese Punkte beachten die Errichter. Die Kompressionseinstellungen für H.264 bleiben hingegen im Regelfall unangetastet: Die Default-Einstellungen in der Kamera, im Recorder oder Videomanagementsystem können in der Praxis zu undeutlichen Bildern führen.

Datenrate und Durchsatz

Die Datenrate ist eine elementare Kalkulationsgröße bei der Aufzeichnung. Je höher die Datenrate, desto höher die Anforderungen an den Speicherplatz und auch desto mehr Daten werden über das Netzwerk übertragen. Die Datenrate einer IP-Kamera ist dynamisch und schwankt je nach Szenenkomplexität, die wiederum außerhalb des Labors nicht vorhersehbar ist. Sie wird von vielen Faktoren beeinflusst: So stellt es einen großen Unterschied dar, ob ein stark frequentierter Eingangsbereich einer U-Bahn überwacht wird oder der Hintereingang eines Lagers, wo sich nur wenige Personen oder Fahrzeuge bewegen.

Bild: Axis Communications
Die Bitraten-Reduktion mit verschiedenen Komprimierungsstärken. (Bild: Axis Communications)

Viele Network Video Recorder (NVR)-Hersteller spezifizieren ihre Geräte für eine definierte Anzahl an Kamerakanälen. Das hat seinen Ursprung aus der analogen Welt, in der die Kameras direkt mit dem Recorder verbunden wurden. In der digitalen Welt ist eigentlich der maximale Gesamt-Durchsatz die korrekte Kenngröße. Je günstiger die eingesetzte Hardware im NVR ist, desto geringer ist der Datendurchsatz pro Kanal.

Viele Hersteller definieren den ermittelten Wert als maximal mögliche abgehende Bitrate, die sogenannte „Maximum Bit Rate“ (MBR), in der Kamera. Die kann in der Praxis zu deutlichen Qualitätsverlusten führen, doch durch diese Herangehensweise können die Hersteller ihr 32-Kanal-Versprechen einhalten. In den Default-Einstellungen verwenden die Hersteller dann diese MBR-Werte. Sie schwanken für eine HDTV 1080p Kamera von 1,5 Megabit pro Sekunde bis hin zu 15 Mbit/s.

Bitrate und Videokompression

In der Kamera kontrolliert der Bitrate-Controller die Einhaltung der MBR-Werte. Er vergleicht ständig den gewünschten MBR-Wert mit der tatsächlichen Bitrate. Ist die tatsächliche Rate höher, hebt er den Kompressionsgrad an. Die Anpassung des Kompressionsgrades erfolgt auf Basis der Szenenkomplexität. Es wird genau dann stärker komprimiert, wenn etwas im Bild passiert. Allerdings sind genau dies die typischen Momente in denen Forensiker nach Informationen suchen.

Die MBR-Methode wurde ursprünglich für Videostreams und DVDs entwickelt, kann in der Videotechnik aber leider sehr schnell forensisch wertvolle Informationen vernichten. In einem Testaufbau problematische MBR-Werte zu erkennen, ist sehr schwierig, da die Testszenen meist eine geringe Bildkomplexität mit sich bringen.

Die Ursache für eine höhere Bitrate können flackernde Lichtquellen, bewegte Vegetation oder Spinnennetze vor der Kamera sein. Wird dann ein niedriger MBR-Wert genutzt, übersteigt der Speicherverbrauch zwar nie das geplante Niveau, aber die Videoqualität an sich leidet darunter. Geringe Bandbreiten zu erzeugen ist sehr einfach, das Risiko den forensischen Wert deutlich zu verringern, ist dabei allerdings sehr hoch.

Die Zipstream-Technologie

Zipstream senkt die Bitrate im Durchschnitt so weit wie möglich ab, ohne dass dabei forensische Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Ein dynamischer Algorithmus wendet den Kompressionsgrad nicht wie sonst üblich auf das gesamte Bild an, sondern analysiert den Bildinhalt in puncto Struktur und Bewegung. Der Ansatz ist einfach: Bereiche ohne erkennbare Struktur haben einen geringen forensischen Wert und statische Bereiche lassen sich einfacher komprimieren.

Bereiche mit Struktur, aber ohne Bewegung werden geringer komprimiert als solche ohne Struktur, allerdings stärker als bewegte Bereiche. Der Algorithmus komprimiert diese bewegten Bereiche nicht zusätzlich, da sie forensisch relevante Informationen enthalten können. Parallel dazu sorgt eine intelligente Rauschunterdrückung für Einsparungen in Szenen, in denen eine schlechte Beleuchtung zu erhöhtem Bildrauschen führt.

Der Kompressionsansatz ist somit individuell der jeweiligen Szene angepasst, volldynamisch und sehr granular, statt statisch und allgemein. So wird die jeweils bestmögliche Bitrate für eine gegebene Szene erzeugt. Wichtige forensisch relevante Details wie Gesichter, Tattoos oder Kennzeichen werden somit anders komprimiert als unbedeutende Bereiche wie weiße Wände, Rasenflächen und Vegetation.

Die Zipstream-Technologie arbeitet nicht mit einer künstlichen Bitrate-Limitierung oder pauschal höherer Kompression. Sie kontrolliert, dass der forensische Wert auf einem möglichst hohen Niveau in Relation zu der im Durchschnitt verbrauchten Bandbreite gehalten wird. Den größten Effekt erreicht sie in Szenen, in denen niedrige Lichtwerte für ein normalerweise deutliches Bildrauschen sorgen. Die Technologie deaktiviert auch die Rauschunterdrückung in Bildbereichen, in denen eine erkennbare Bewegung stattfindet.

Zipstream funktioniert im H.264-Standard und stellt keine zusätzlichen Anforderungen an den Decoder. Die Reduzierung der Datenrate führt sogar zu geringeren Anforderungen an die CPU.

H.265

Der H.265-Standard ist noch relativ neu. Bis ein neuer Standard die breite Unterstützung der Hardware- und Software-Anbieter für sich gewinnen kann, braucht es viel Zeit – wie die Einführung von H.264 gezeigt hat. Eine große Hürde auf dem Weg zu H.265 ist unter anderem die immer noch immer nicht geklärte Patentsituation.

Auch der Migrationspfad ist komplex: Nicht nur Kameras müssen den neuen Standard unterstützen, sondern auch alle anderen Elemente im Videoüberwachungssystem. Zipstream bietet ein neues, herstellerneutrales Konzept für die aktuellen Herausforderungen im Bereich Bandbreite und Speicher, ohne dass in neue Hardware oder Software investiert werden muss. Insbesondere für Bestandsanlagen ist dies von großer Bedeutung. Es ist zu erwarten, dass H.264 und H.265 eine lange Zeit parallel existieren.

Die vollmundigen Versprechungen von 50 Prozent reduzierter Bandbreite bei H.265 haben ihre Gültigkeit vielleicht im Broadcasting-Bereich, aber nicht in der Videoüberwachungswelt. Erste Tests haben ergeben, dass mit den derzeitigen Implementierungen weniger Einsparungen erreicht werden, als mit der Zipstream-Technologie erzielt werden können.

Limitationen von Bitraten sollten im Hinblick auf den forensischen Wert immer kritisch hinterfragt werden. Im Schnitt lassen sich die Bitrate und der Speicherplatz deutlich mit der Zipstream-Technologie optimieren, ohne dass wichtige Informationen zerstört werden.

Timo Sachse, Product Analyst EMEA bei Axis Communications GmbH

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