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CCTV y Control de Accesos

L a inventiva nace de la necesi-dad y, por esta razón, hoy en día es imprescindible que las

empresas inviertan en I+d+i para aportar soluciones que mejoren la productivi-dad y encuentren nuevos canales de ac-tuación que sustituyan métodos ya ob-soletos o ineficientes.

Al final de la época Neolítica, en Me-sopotamia, se inventó la rueda para dar solución a problemas de transporte durante el periodo de El Obeid, hacia el 5.500 a.C. Actualmente, en la nueva época del vídeo IP, ha surgido otro pro-blema de transporte, en este caso, de paquetes de datos, ya que el canal es li-mitado tanto en velocidad como en vo-lumen. Geutebrück se dio cuenta de esta necesidad y hoy todos debemos agra-decer su inversión en desarrollo de nue-vos algoritmos de compresión de ví-deo, que ha dado lugar al nacimiento del H.264CCTV.

Los primeros pasos del vídeo digital se daban en estudios de postproducción audiovisual, que generaban cadenas de datos de hasta 200 Mbps, lo que imposi-bilitaba su uso en CCTV debido a que los precios serían inasumibles para el cliente final por exigir redes de alta velocidad y capacidades de almacenamiento gigan-tescas.

Las imágenes eran transmitidas como fotogramas independientes comprimi-dos en JPEG, por lo que a este sistema se le bautizó como Motion JPEG (M-JPEG).

Su uso se extendió a grabadores digita-les de primera generación en CCTV. De-bido a la dificultad de comprimir y al-macenar muchas cámaras simultánea-mente, estos grabadores solo podían grabar unos pocos fotogramas por se-gundo.

A pesar de la mejora que ofreció el MJPEG en CCTV, seguía siendo necesa-rio un menor flujo de datos para repre-sentar el material. Llegar a una solución final pasa por la forma en la que evolu-ciona el MJPEG y posteriores codecs me-diante el procesamiento de la secuencia, de tal modo que codificara solo lo nece-sario y permitiera al decodificador inter-pretar el resto.

La evolución de los algoritmosLos sistemas CCTV han aprovechado las posibilidades que ofrecía el mercado multimedia. Ante la necesidad de ges-tionar decenas o cientos de cámaras de

manera simultánea, han surgido desa-rrollos propios dentro del sector, como el algoritmo de compresión adaptado de Geutebrück H.264CCTV.

Los codecs más utilizados han sido JPEG-MJPEG, MPEG-2, MPEG-4 y, actual-mente, H.264. Otro problema que surge ante la utilización de estos codecs es la capacidad de procesado de las máqui-nas. Por ejemplo, la primera release del al-goritmo de compresión H.264 se publica en 2003, pero este no resulta útil para CCTV hasta finales de esa misma década,

gracias al incremento de la potencia de cálculo de los microprocesadores.

Para poder comprender los benefi-cios y contras de los distintos algoritmos vamos a adentrarnos en su funciona-miento técnico.

1. MJPEGMotion JPEG (M-JPEG) es un codec donde cada fotograma es comprimido por separado como una imagen JPEG. Es frecuentemente usado en dispositi-vos portátiles tales como cámaras digi-tales y en la primera generación de gra-badores de CCTV.

El Motion JPEG utiliza tecnología de codificación intracuadro, sin emplear la predicción intercuadro, lo que conlleva una pérdida en la capacidad de compre-sión pero facilita la edición de vídeo, es decir, se puede descomprimir un cua-dro cualquiera sin necesidad de conocer ninguno de los demás. De este modo, la capacidad de compresión es indepen-diente de la cantidad de movimiento en la escena. Por eso, se utiliza en cámaras de vigilancia donde solo se toman unos pocos cuadros por segundo, un tiempo en el que podría haber grandes cantida-des de cambio de un cuadro al siguiente.

2. MPEG-1 y MPEG-2MPEG-1 vídeo se utiliza en el formato Ví-deo CD (VCD). La calidad de salida con la tasa de compresión usual empleada

Daniel Ruiz / Ingeniero director de Producto de FF Videosistemas & Geutebrück España

Nuevos formatos de compresión para mejorar las soluciones de CCTV

Grabador digital Multiscope de 32 cámaras en MJPEG.

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para cada uno de ellos determina pará-metros tales como el tamaño de la ima-gen, dimensiones de los bloques o el bit rate. Se añade un proceso de “compen-sación de movimiento” y, así, existen ahora tres tipos de fotogramas: I (maes-tro), P (diferencias con cuadro anterior) y B (diferencias respecto a un I anterior y un I posterior).

Una mejora importante en MPEG-2 es que se introduce el bit rate variable, lo cual permite aumentar la tasa de bits cuando hay movimiento y reducirla cuando no. En esencia, este estándar tiene la misma base de funcionamiento que MPEG-1, pero todas las mejoras que ofrece suponen un incremento en las necesidades de procesamiento. Debido a esto, no fue usado apenas para siste-mas de CCTV.

3. MPEG-4MPEG-4 o MPEG-4 Parte 2 (también co-nocida por MPEG-SP/ASP) recoge la mayoría de las características del MPEG, MPEG-2 y de otros estándares relacio-nados, añadiendo nuevas característi-cas. El MPEG-4 está aún en desarrollo y está dividido en una serie de partes. MPEG-4 Parte 2 es la que se refiere es-trictamente a la codificación de vídeo y es al que llamamos vulgarmente co-dec MPEG-4. Existen implementaciones, como Div-X, XVid y H.264, que se han hecho muy populares en Internet. En

contra de lo que la mayoría de la gente cree, H.264 per-tenece al grupo de codecs de la familia MPEG-4.

MPEG-4 es eficiente a tra-vés de una variedad de ta-sas de bits que van desde

diferencias encontradas son almacena-das y comprimidas. También son regis-trados los vectores que marcan el mo-vimiento detectado en cada bloque de un fotograma respecto al maestro. Este proceso se repite comparando los blo-ques de todos los fotogramas con el an-terior. Finalmente, se agrupa la informa-ción del maestro como imagen JPEG junto a la información comprimida de las diferencias y movimiento de varios fotogramas.

Los maestros son llamados fotogra-mas-I y el resto, obtenidos a partir del I más la información de movimiento y diferencias, son los denominados foto-gramas-B. Los fotogramas son agrupa-dos en bloques de imágenes (GOP, del inglés group of pictures). Cada GOP con-tiene un fotograma-I más los fotogra-mas-B que dependen del I.

En MPEG-2 la base de funcionamiento es la misma que en MPEG-1. Una de las principales diferencias entre ambos

estándares de compresión es que el MPEG-2 brinda un soporte para material entrelazado, ya que una de las aplica-ciones más importantes de este nuevo estándar es la transmisión de señales de televisión (por ejemplo, sistema PAL).

MPEG-2 define 24 niveles posibles, y

en VCD es similar a la de un cassette de vídeo VHS doméstico.

En todo material real, ya sea de au-dio o de vídeo, hay dos tipos de com-ponentes de señal: aquellos que son nuevos o impredecibles y los que pue-den ser anticipados. Los componen-tes nuevos son llamados “entrópicos” (cambios detectables de un cuadro al siguiente) y corresponden a la verda-dera información en la señal. Los res-tantes se denominan “redundancia”, ya que no son esenciales (partes de la imagen que no cambian de un cuadro al siguiente). La redundancia puede ser espacial, como un área plana de una imagen, en donde los píxeles cerca-nos tienen todos el mismo valor; o tem-poral, donde se explota la similitud de imágenes sucesivas. Adicionalmente, se elimina cierta información irrelevante o no tan crítica para el observador antes de analizar los componentes importan-tes en la señal. Solo la entropía (compo-nentes nuevos) es almacenada o trans-mitida, y el decodificador calcula la re-dundancia con la señal recibida.

Todos los fotogramas son divididos en bloques (macrobloques) y cada uno de estos en sub bloques (bloques). Se toma uno de los fotogramas como maestro (Fotograma-I) y se compara cada bloque del siguiente fotograma con el correspondiente del maestro. Las

Fotogramas B

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La utilización del estándar H.264 para aplicaciones de CCTV tiene otros incon-venientes. El uso de algoritmos avanza-dos implica un empleo de CPU alto, lo que redunda en la imposibilidad de des-comprimir las imágenes de muchas cá-maras simultáneamente. El coste de ne-cesitar más CPU y con mayor potencia se compensa con el ahorro en infraestruc-tura de red, que ahora es menos estricta.

Otro problema en la aplicación de H.264 en sistemas de CCTV viene a la hora de reproducir el vídeo. La manera en que funciona hace que sea nece-sario descomprimir un GOP completo para extraer un fotograma aleatorio. En el caso de avance rápido, el uso de CPU se dispara, llegando a saturarla y gene-rando cortes en la descompresión de otras cámaras. Para evitarlo, se suelen descomprimir únicamente los I-frame, pues suele haber solo uno cada dos se-gundos. Esto hace que las búsquedas en avance rápido no sean adecuadas para encontrar a una persona que se mueva rápidamente frente a la cámara.

Las imágenes en tiempo real tienen una gran latencia, ya que el equipo ha de recibir el I-frame y todos los datos perte-necientes al mismo GOP antes de poder decodificar el primer fotograma de este.

En todo caso, H.264 es el codec con más dificultades en la descompresión y es el que resulta menos adecuado para la revisión y búsquedas en imágenes grabadas, ya que fue desarrollado pen-

teriores y la del decodificador la duplica. También las necesidades de CPU nece-sarias para la descompresión de H.264 se multiplicaron por cuatro en compara-ción con el MPEG-4 SP/ASP.

El H.264 en CCTVLa llegada de los grabadores y codifica-dores digitales supuso un punto de in-flexión en la tecnología de CCTV. Ya re-sultaba posible ver imágenes de cáma-ras a larga distancia aprovechándose de las redes para ordenadores y de todo lo que ello implica: grabación remota, visualización simultánea desde varios puestos, ahorro en instalación de ca-bleado, aprovechamiento de redes exis-

tentes, etc. Para conseguir el mejor ren-dimiento, es necesario utilizar el codec que haga el uso de la red más eficiente, actualmente H.264. También el almace-namiento en disco de las imágenes se aprovecha de una tasa de bits más bajo, permitiendo grabar más días y más cá-maras en el mismo disco.

El problema viene cuando queremos comunicar nuestra cámara con el gra-bador. Cada fabricante usa un proto-colo (lenguaje) y esto genera incom-patibilidades entre productos de dis-tintas firmas. Por ello, es necesario que un programador integre todos los nue-vos protocolos de nuevas cámaras en su grabador. Para evitar esto, recien-temente se ha creado una alianza en-tre fabricantes de equipos y cámaras de CCTV para unificar las comunica-ciones entre cámara y grabador, elimi-nando incompatibilidades. Se trata de ONVIF, una coalición que busca crear un protocolo unificado aprovechando al máximo los estándares actuales. De-bido a la juventud de ONVIF, aún es poco usada, a pesar de que muchos fa-bricantes pertenecen a ella.

unos pocos kilobits por segundo a de-cenas de megabits por segundo. Para conseguir esto, se han aprovechado de algoritmos matemáticos e ideas que en su día fueron descartados para MPEG-2 por sus altas necesidades computacio-nales. No todas las implementaciones rinden igual en cuanto a calidad, tasa de compresión y necesidades compu-tacionales. Hay implementaciones que hacen un uso moderado de la CPU y que permiten decodificar decenas de secuencias simultáneamente a costa de una tasa de bits algo más alta. En los úl-timos años, MPEG-4 ha sido utilizado en sistemas CCTV, tanto en grabadores analógicos como IP.

4. H.264El H.264 (también llamado MPEG-4 parte 10), es un codec de vídeo digital utilizado para alcanzar una alta com-presión de datos. También es conocido como MPEG-4 AVC (Advanced Video Co-ding, codificación de vídeo avanzada), ya que ofrece una compresión percep-tiblemente mayor que sus precurso-res. Puede proporcionar vídeo de cali-dad DVD con una tasa binaria un 40 por ciento inferior a la de MPEG-2 y de en-tre un 20 y un 30 por ciento respecto MPEG-4 SP/ASP. No es compatible con normas anteriores.

Para obtener un mayor ratio de com-presión, H.264 recurre a un nuevo princi-pio de codificación (predicción, transfor-mada, cuantificación, etc.), nuevos tipos de imágenes (además de los fotogramas I, P y B, tenemos otras dos, la SP y la SI) y nuevos filtros (compensación de movi-miento, deblocking). El resultado puede resumirse en ahorros sustanciales de bit rate (hasta un 50%) respecto a otros es-tándares, manteniendo la misma calidad de imagen y relación S/N. La compleji-dad del codificador triplica la de los an-

Algunos fabricantes de CCTV han desarrollado

implementaciones propias de H.264 que solventan los

problemas de este ‘codec’

Grabadores de última generación GeViStore (IP) y GeViScope (híbrido) de Geutebrück, con capacidad para cámaras MJPEG, H264 y H264CCTV.

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El codec H264CCTV de Geutebrück es compatible con el estándar H.264 e integra todos los avances mencio-nados anteriormente. Ofrece una efi-ciencia de compresión algo peor a la del H.264 pero presenta grandes ven-tajas respecto a este para aplicaciones de CCTV: reducción drástica de “arte-factos” cuando haya pérdida de da-tos en la red; menor uso de CPU; mí-nimos saltos de imagen en reproduc-ción en avance rápido hacia delante y atrás; búsqueda de imágenes pre-cisa, directa al fotograma deseado; y mínima latencia en la reproducción a tiempo real. S

vimiento consumirán menos ancho de banda y CPU. Para optimizar la respuesta en búsquedas, se puede usar codifica-ción P-Chain-free, en la que únicamente se usan fotogramas I y B, prescindiendo de los P y haciendo que los B dependan solo de un fotograma I anterior y nunca posterior. Así, para las búsquedas basta con decodificar el I-frame y el B-frame buscado. También mejora la latencia, ya que el I-frame va al principio del GOP y puede ser decodificado en cuanto es re-cibido, sin esperar al resto del grupo. En caso de pérdida de datos, solo se pierde el GOP entero si el dato extraviado perte-necía al I-frame.

sando en aplicaciones multimedia (te-levisión, cine). Por ello, algunos fabri-cantes de sistemas de CCTV han desa-rrollado implementaciones propias de H.264 que solventan estos problemas, como es el caso del H264CCTV de Geu-tebrück.

Mejorando el H.264Los problemas que tiene H.264 en apli-caciones de CCTV vienen del alto coste computacional que tiene, ligado al alto tamaño del GOP. Una manera de redu-cir estas limitaciones es disminuyendo el tamaño del GOP, lo que mejora las bús-quedas y los problemas en caso de pér-didas en la red. También se reducen los problemas de latencia, ya que se tarda menos en comprimir los fotogramas de un GOP, transmitirlos y decodificarlos.

Otra manera de mejorar el codec es utilizar detección de movimiento en la cámara para variar parámetros de velo-cidad, calidad y resolución. De esta ma-nera, las cámaras que no registren mo-

H264 P-chain-free

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