cenni sui formati di compressione

ALCUNI CENNI SUI VARI FORMATI DI COMPRESSIONE
Standard per la compressione di fotogrammi
Tutti gli standard di compressione relativi ai fotogrammi si basano sul presupposto che venga
compressa una sola immagine alla volta. Lo standard più conosciuto e diffuso è il formato JPEG.
JPEG
JPEG, un metodo di compressione molto conosciuto, fu originariamente trasformato in uno standard
alla metà degli anni ’80 per iniziativa del Joint Photographic Experts Group. Il formato JPEG
consente di decomprimere e visualizzare le immagini con un comune browser Web.
La compressione JPEG permette all’utente di specificare il livello di compressione desiderato, ossia
di stabilire in che misura deve essere compressa l’immagine. Il livello di compressione è
direttamente correlato alla qualità dell’immagine richiesta. Tuttavia, il rapporto di compressione è
influenzato non solo dal livello di compressione, ma anche dall’immagine stessa. L’immagine di una
parete bianca, ad esempio, permette di ottenere un file immagine relativamente piccolo (con un
rapporto di compressione alto), mentre lo stesso livello di compressione applicato ad una scena
complessa e ricca di dettagli genera un file di maggiori dimensioni con un rapporto di compressione
più basso.
JPEG2000
L’altro standard utilizzato per la compressione dei fotogrammi è il formato JPEG2000, anch’esso
sviluppato dal gruppo che ha creato lo standard JPEG. Questo formato viene principalmente usato
per le applicazioni mediche e per l’acquisizione di fotogrammi. Con rapporti di compressione bassi,
le prestazioni di questo formato sono equivalenti a quelle del formato JPEG, mentre con rapporti di
compressione più elevati risultano leggermente migliori. Lo svantaggio del formato JPEG2000
risiede nel fatto che non è frequentemente supportato dai browser Web e dalle applicazioni per la
visualizzazione e l’elaborazione di immagini.
Motion JPEG
Motion JPEG è il formato più comunemente usato dai sistemi video di rete. Le telecamere di rete,
come le videocamere digitali, acquisiscono le singole immagini e le comprimono nel formato JPEG.
Una telecamera di rete è in grado di acquisire e comprimere, ad esempio, 30 immagini singole al
secondo (ovvero 30 fps -fotogrammi al secondo) e di trasmettere un flusso continuo di immagini in
rete alla postazione di visualizzazione. Se la velocità di trasmissione è pari o superiore a 16
fotogrammi al secondo, le immagini vengono percepite come video full motion. Questo metodo
viene chiamato Motion JPEG o M-JPEG. Poiché ogni immagine rappresenta un’immagine JPEG
completa, tutte le immagini hanno sempre la stessa qualità che varia a seconda del livello di
compressione scelto per la telecamera di rete o il server video
MPEG
Una delle tecnologie di streaming audio e video più note è indubbiamente il cosiddetto formato
MPEG (creato dal Motion Picture Experts Group alla fine degli anni ’80). Questa sezione descrive in
particolare la parte dedicata ai video degli standard video MPEG.
Il principio base del formato MPEG consiste nel confronto di due immagini compresse da
trasmettere in rete. La prima immagine compressa viene usata come fotogramma di riferimento per
le immagini successive in questo modo verranno trasmesse in rete solo le immagini diverse da
quella di riferimento. Le postazioni di rete utilizzate per la visualizzazione ricostruiscono tutte le
immagini utilizzando l’immagine di riferimento e i dati degli elementi diversi.
Nonostante l’apparente complessità, il formato MPEG offre il vantaggio di ridurre in modo
significativo il volume di dati trasmesso in rete rispetto al formato Motion JPEG. Il processo è
illustrato qui sotto, dove si vede chiaramente che vengono trasmesse solo le informazioni relative
alle differenze del secondo e terzo fotogramma
MPEG-4
è il risultato più significativo ottenuto dal progetto MPEG-2. Questo formato offre infatti molti più
strumenti per ridurre la velocità in bit ai valori necessari per ottenere la qualità delle immagini
richiesta per applicazioni o scene specifiche. Inoltre, la velocità di trasmissione non è bloccata a
25/30 fotogrammi al secondo. Tuttavia, è utile notare che molti degli strumenti usati per ridurre la
velocità in bit possono essere attualmente usati solo per le applicazioni non in tempo reale, perché
la potenza di elaborazione richiesta fa sì che il tempo di codifica e decodifica (ossia la latenza) li
renda poco adatti ad applicazioni diverse dalla codifica di filmati o di animazioni. La maggior parte
degli strumenti del formato MPEG-4 utilizzabili per le applicazioni in tempo reale sono di fatto gli
stessi disponibili nei formati MPEG-1 e MPEG-2.
H.264
Il nuovo standard di compressione video H.264 è sicuramente destinato a diventare lo standard
video più diffuso negli anni a venire. Attualmente è già stato implementato con successo in
numerosi dispositivi elettronici come cellulari e lettori video digitali. L’introduzione di questo nuovo
standard offre al settore della videosorveglianza la possibilità di ridurre i costi di memorizzazione e
di migliorare ulteriormente l’efficienza generale dei sistemi.
Lo standard H.264 (talvolta chiamato anche MPEG-4 Parte 10/AVC) è uno standard aperto,
acquistabile con licenza, che supporta le tecniche di compressione video più valide attualmente
disponibili. Un codificatore video che utilizza lo standard H.264 è infatti in grado di ridurre le
dimensioni dei file video digitali di oltre l’80% rispetto al formato Motion JPEG e fino al 50% rispetto
allo standard MPEG-4 Parte 2, senza compromettere la qualità delle immagini. Cifre che spiegano
perché lo standard H.264 è destinato ad avere un grosso impatto sul settore della
videosorveglianza.
Confronto tra la velocità di trasmissione in bit di un flusso video della durata di 115 secondi offerto
dai vari standard di compressione video, a parità di qualità delle immagini. I codificatori che
utilizzano lo standard H.264 sono tre volte più efficienti rispetto a quelli che utilizzano lo standard
MPEG-4 senza compensazione del movimento e fino a sei volte più efficienti rispetto allo standard
Motion JPEG
Riduzione dei costi di memorizzazione e larghezza di banda
La drastica riduzione delle dimensioni dei file ha un impatto significativo sui requisiti di
memorizzazione e di larghezza di banda. A parità di quantità di dati video e di qualità delle
immagini, un sistema di videosorveglianza che supporta lo standard di compressione H.264 è
praticamente in grado di ridurre i costi di memorizzazione e di larghezza di banda fino al 50%
rispetto ai sistemi che utilizzando tecnologie di compressione tradizionali. Ciò spiega perché in
futuro questo standard è probabilmente destinato a diventare un elemento di differenziazione molto
importante, soprattutto se si considera la progressiva diffusione di sistemi sempre più grandi e della
necessità di trasmettere immagini di qualità elevata a velocità di trasmissione in fotogrammi sempre
maggiori.
Risoluzione e velocità di trasmissione in fotogrammi più elevate
Lo straordinario rapporto di compressione tipico dello standard H.264 offre numerosi vantaggi, a
seconda delle esigenze applicative. Attualmente gli utenti tendono spesso a scegliere una velocità
di trasmissione in fotogrammi e una risoluzione minori per potersi mantenere nei limiti applicativi.
Ciò ha tuttavia un impatto negativo sulle immagini che sono spesso sfuocate o presentano un minor
livello di dettaglio. L’uso di sistemi di videosorveglianza che supportano lo standard di compressione
H.264 in applicazioni di questo tipo offrirebbe il vantaggio di poter usare velocità di trasmissione in
fotogrammi e risoluzioni elevate diverse, e di disporre al tempo stesso di immagini di alta qualità.
Accelerazione della diffusione delle telecamere con risoluzione megapixel
Lo standard H.264 è sicuramente destinato ad accelerare l’uso di telecamere con risoluzione
megapixel nel settore della videosorveglianza, tenuto conto che uno degli elementi che sta
attualmente ostacolando l’adozione di questo tipo di telecamere è rappresentato dalle dimensioni
dei dati delle registrazioni video. Lo standard H.264, come spiegato in precedenza, è in grado di
ridurre le dimensioni dei file senza compromettere la qualità delle immagini. Quindi, è altamente
probabile che questa straordinaria tecnologia di compressione venga rapidamente adottata in
applicazioni che richiedono risoluzioni e velocità di trasmissione in fotogrammi elevate, quali quelle
usate per la sorveglianza di aeroporti, punti vendita, banchi e casinò.
Prospettive future
Lo standard H.264 rappresenta uno straordinario avanzamento nell’ambito della tecnologia di
compressione video. Essendo già stato integrato in molti settori e applicazioni personali e
professionali - come QuickTime, Flash, YouTube, iPod e PlayStation 3 – questo standard è
probabilmente destinato a sostituire rapidamente tutti gli standard e i metodi attualmente disponibili.
D’altro canto la progressiva integrazione di questo standard nei sistemi di videosorveglianza
spingerà i progettisti e gli integratori di sistema a verificare che prodotti e produttori siano in grado di
supportare tale standard.
Le origini dello standard H.264
H.264 è frutto di un progetto congiunto del gruppo VCEG (Video Coding Experts Group) di
International Telecommunications e del gruppo MPEG (Moving Picture Experts Group) di ISO/IEC.
ISO è l’acronimo di International Organization for Standardization, mentre IEC è un’organizzazione
che si occupa di definire gli standard relativi alle apparecchiature ed elettroniche. H.264 è il nome
usato da ITU-T, mentre MPEG-4 Parte 10/AVC è il nome talvolta usato da ISO/IEC che considera il
nuovo standard un’integrazione della suite MPEG-4.
Frutto della definizione congiunta delle organizzazioni responsabili della definizione di standard per i
settori delle telecomunicazioni e IT, lo standard H.264 è destinato ad avere una diffusione ancora
più ampia di quelli precedenti.