بررسی و تحلیل الگوریتم‌های فشرده‌سازی تصویر در دستگاه‌های ضبط‌کننده دوربین مداربسته به زبان ساده

در دنیای امروز، نظارت تصویری یک ابزار ضروری برای افزایش امنیت در منازل، اماکن تجاری و سازمان‌ها است. اما یکی از نکات کلیدی در کارکرد موثر و مقرون‌به‌صرفه سیستم‌های دوربین مداربسته، توانایی دستگاه ضبط‌کننده (DVR/XVR/NVR) در فشرده‌سازی تصاویر است.

در این مقاله، به‌عنوان یک کارشناس سیستم‌های نظارت تصویری، مفاهیم مربوط به الگوریتم‌های فشرده‌سازی تصویر را با بیانی ساده بررسی می‌کنم تا حتی افراد غیرمتخصص بتوانند اهمیت این موضوع را درک کنند.

فشرده‌سازی تصویر چیست؟

به زبان ساده، فشرده‌سازی تصویر یعنی کوچک کردن حجم فایل‌های ویدئویی بدون کاهش محسوس کیفیت تصویر. این فرآیند توسط الگوریتم‌های خاص انجام می‌شود و هدف آن کاهش فضای مورد نیاز برای ذخیره‌سازی ویدئوها و ساده‌تر کردن انتقال تصاویر (مثلاً از طریق اینترنت) است.

تصور کنید می‌خواهید محتوای یک فیلم طولانی را در یک دفترچه کوچک بنویسید. به جای اینکه همه صحنه‌ها را به‌طور کامل و دقیق بنویسید، فقط بخش‌های مهم و جدید را یادداشت می‌کنید و بخش‌های تکراری و ثابت را حذف می‌کنید.

همین کار توسط الگوریتم H.265 در ضبط تصاویر دوربین مداربسته انجام می‌شود:

• بخش‌های تکراری حذف یا ساده‌تر ذخیره می‌شوند.
• تنها تغییرات یا اتفاقات جدید ذخیره می‌گردند.

چرا فشرده‌سازی تصویر مهم است؟

1. صرفه‌جویی در فضای ذخیره‌سازی:

   یک دستگاه ضبط‌کننده باید بتواند روزها یا حتی ماه‌ها تصاویر را ذخیره کند. اگر حجم تصاویر زیاد باشد، فضای حافظه (هارد دستگاه) سریع‌تر پر می‌شود و شما مجبور خواهید بود هاردهای اضافی بخرید یا آرشیو کوتاه‌مدت داشته باشید.

   با فشرده‌سازی موثر، می‌توان تا چند برابر بیشتر تصاویر را ذخیره کرد.

2. انتقال سریع‌تر تصاویر:

   اگر قصد دارید تصاویر را از طریق اینترنت یا شبکه محلی به گوشی یا کامپیوتر خود انتقال دهید، حجم بالای ویدئوها می‌تواند سرعت انتقال را پایین بیاورد.

   فشرده‌سازی تصاویر امکان انتقال سریع‌تر بدون استفاده از پهنای باند بالا را فراهم می‌کند.

3. کاهش هزینه‌ها:

   با کاهش مصرف فضای ذخیره‌سازی و پهنای باند، هزینه‌های شما برای خرید هاردهای بزرگ‌تر یا ارتقاء شبکه کاهش پیدا می‌کند.

معرفی الگوریتم‌های فشرده‌سازی تصویر در دستگاه‌های ضبط‌کننده

1. فرمت H.264

این فرمت یکی از قدیمی‌ترین و پرکاربردترین الگوریتم‌های فشرده‌سازی است.

• مزایا:
  
  • کاهش حجم تصاویر تا 50% نسبت به فناوری‌های قبل از خود.
  • کیفیت تصویر مناسب حتی در حالت فشرده‌شده.
  • سازگاری بالا با اکثر دستگاه‌های ضبط و سیستم‌های دوربین.
• معایب:
  
  • نسبت به نسل‌های جدید، کارایی کمتر و مصرف بالاتر فضای ذخیره‌سازی دارد.

2. فرمت H.265 (HEVC)

این فرمت نسل جدید‌تر فشرده‌سازی است که به نام HEVC (High Efficiency Video Coding - کدگذاری ویدئویی با بازده بالا) نیز شناخته می‌شود.

• مزایا:
  
  • فشرده‌سازی بهتر، به طوری‌که تا 50% فضای کمتر نسبت به H.264 نیاز دارد.
  • حفظ کیفیت تصویر حتی در رزولوشن‌های بالا (Full HD، 2K، 4K).
  • بهینه‌تر برای انتقال تصاویر از طریق شبکه و اینترنت.
• معایب:
  
  • نیاز به سخت‌افزارهای قدرتمندتر (برای پردازش و نمایش تصاویر).
  • در برخی دستگاه‌های قدیمی، ممکن است پشتیبانی نشود.

3. فرمت H.265+

این الگوریتم نسخه بهینه‌تر H.265 است که عمدتاً توسط برندهای معتبر مانند داهوا و هایک‌ویژن توسعه یافته است.

• مزایا:
  
  • کاهش قابل‌توجه حجم تصاویر (حدود ۳۰٪ موثرتر از H.265).
  • مناسب برای ضبط طولانی‌مدت یا سیستم‌هایی با تعداد بالای دوربین.
  • ایده‌آل برای محیط‌هایی با نور کم.
• معایب:
  
  • انحصاری بودن این فرمت در برخی برندها، یعنی اگر دستگاه شما از این کدک پشتیبانی نکند، نمی‌توانید از آن استفاده کنید.

H.265 چگونه هر فریم تصویر را فشرده‌سازی می‌کند؟

الگوریتم H.265 یک تصویر را (یعنی هر فریم ویدئو) مرحله‌به‌مرحله تحلیل می‌کند تا حجم اطلاعات را تا جای ممکن کاهش دهد. حالا تصور کنید یک فیلم از حرکت یک شخص در خیابان ضبط شده است:

1. تقسیم تصویر به بلوک‌های کوچک (CTU‌ها)

الگوریتم H.265 ابتدا تصویر را به بلوک‌های کوچک مربعی تقسیم می‌کند. برای مثال:

• بلوک‌های 16×16 یا 32×32 یا حتی 64×64 پیکسلی.

چرا؟

چون این بلوک‌ها مشخص می‌کنند که کدام بخش از تصویر تغییر کرده و کدام قسمت ثابت است. اگر قسمتی از تصویر (مثل آسمان یا دیوار) ثابت باشد، لازم نیست آن را بارها ذخیره کنیم.

2. پیش‌بینی تصویر

الف) درون‌فریمی (داخل همان فریم)

فرض کنید فقط یک دیوار با رنگ سفید در تصویر دیده می‌شود. به جای ذخیره کردن تمام پیکسل‌های سفید دیوار، الگوریتم حدس می‌زند که دیوار تمام سفید است و فقط یک دستور ذخیره می‌شود:

“تمام بلوک‌ها سفید هستند.”

ب) بین‌فریمی (فریم‌های مختلف)

حالا فرض کنید فردی در تصویر شروع به حرکت می‌کند. الگوریتم ابتدا به فریم قبلی نگاه می‌کند:

• آیا چیزی در تصویر تغییر کرده؟ فقط آن “تغییر” ذخیره می‌کند.

مثلاً:

• “دیوار ثابت باقی مانده.”
• “فرد در حال حرکت به راست است، و فقط این بخش تصویر تغییر کرده.”

3. ذخیره اختلاف‌ها (Residuals)

• اگر بین تصویر پیش‌بینی‌شده و تصویر واقعی اختلاف کوچکی وجود داشته باشد (مثلاً سایه یا حرکت جزئی)، الگوریتم فقط این اختلاف کوچک را ذخیره می‌کند.

مثال:

پیش‌بینی شده که دیوار سفید باقی مانده، اما در واقع نوری روی دیوار افتاده است. تنها این تغییر کوچک ذخیره می‌شود.

4. فشرده کردن اطلاعات اضافی

الگوریتم اطلاعات خام مثل تغییرات (Residuals) را فشرده می‌کند:

• با استفاده از روش‌های ریاضی، بخش‌های غیرضروری حذف می‌شوند.
• فقط اطلاعات اصلی و ضروری ذخیره خواهد شد.

این کار باعث کاهش حجم ویدئو بدون کاهش قابل‌توجه کیفیت می‌شود.

5. ذخیره نهایی اطلاعات

بعد از اینکه اطلاعات ضروری جمع‌آوری شد، الگوریتم آن‌ها را به رشته‌های فشرده تبدیل می‌کند تا حجم ویدئو تا حد امکان کاهش یابد.

یک مثال قابل فهم - ضبط یک فیلم از یک اتاق ثابت

تصور کنید دوربینی در یک اتاق ثابت نصب شده و تنها در یک گوشه اتاق پنکه‌ای روشن است.

زمانی که از H.265 استفاده کنیم:

1. تمامی بخش‌های ثابت مثل دیوارها، زمین و لوازم ذخیره نمی‌شوند (چون بدون تغییر هستند).
2. فقط تصویر چرخش پنکه و حرکت تیغه‌های آن ذخیره می‌شود.
3. اگر ناگهان شخصی وارد اتاق شود، تنها این تغییر ذخیره خواهد شد.

چرا H.265 بهتر از روش‌های قبلی (مثل H.264) است؟

1. بلوک‌های بزرگ‌تر:

H.264 تنها بلوک‌هایی کوچک‌تر (مثل 16×16) را پردازش می‌کرد، اما H.265 می‌تواند بلوک‌های بزرگ‌تر (مثل 64×64) را پردازش کند. این یعنی سرعت در تشخیص و کاهش حجم تصویر.

2. دقت بیشتر:

H.265 در مقایسه با H.264 تعداد بیشتری از نقاط تصویر را تحلیل می‌کند، یعنی تغییرات را دقیق‌تر و با حجم کمتر ذخیره می‌کند.

3. مناسب برای وضوح بالا:

اگر از دوربین‌هایی با کیفیت Full HD یا حتی 4K استفاده می‌کنید، H.265 تصاویر را با حفظ کیفیت عالی ذخیره می‌کند، ولی حجم ذخیره‌سازی به نصف یا کمتر کاهش می‌یابد.

3. MJPEG (Motion JPEG)

• در این فرمت، هر فریم تصویر به‌صورت جداگانه فشرده‌سازی می‌شود.
• مزایا:
  
  • کیفیت بالای تصویر.
  • ساده بودن فرمت برای بازبینی فریم‌ها.
• معایب:
  
  • چون فشرده‌سازی هر فریم جداگانه انجام می‌شود، حجم ذخیره‌سازی بسیار بالاست.

این فرمت بیشتر در سیستم‌های نظارت جزئی یا دوربین‌هایی با کاربرد خاص استفاده می‌شود.

مقایسه عملی این فرمت‌ها

چگونه بهترین الگوریتم را برای پروژه خود انتخاب کنیم؟

1. تعداد دوربین‌ها و طول مدت آرشیو:

   اگر تعداد دوربین‌ها زیاد است یا باید آرشیو طولانی‌مدت داشته باشید، حتماً به سراغ دستگاهی بروید که از H.265 یا H.265+ پشتیبانی کند.

2. رزولوشن دوربین‌ها:

   برای دوربین‌های با رزولوشن بالا (مثلاً 4K)، استفاده از فرمت‌های قدیمی مثل H.264 توصیه نمی‌شود؛ چرا که حجم ویدئوها بسیار زیاد می‌شود.

3. نوع پروژه:

   اگر پروژه شما نیازمند دقت بالای تصویر است (مثل نظارت بر چهره‌ها یا پلاک خودرو)، الگوریتم‌هایی مثل H.265+ نیازمند سخت‌افزار قدرتمندتر هستند، ولی در بهبود کیفیت و کاهش حجم، بسیار موثرند.

چالش‌های فشرده‌سازی (مشکلات رایج)

1. کاهش کیفیت در فشرده‌سازی شدید:

   اگر دستگاه ضبط‌کننده تنظیمات فشرده‌سازی را روی حداکثر قرار دهد، ممکن است جزئیات مهمی مانند چهره یا پلاک خودرو در تصاویر از بین برود.

2. ناتوانی سیستم‌های قدیمی در پشتیبانی از فرمت‌های جدید:

   بسیاری از دستگاه‌های DVR/XVR قدیمی نمی‌توانند فرمت‌های H.265 و H.265+ را پشتیبانی کنند، که این می‌تواند ارتقاء سیستم را هزینه‌بر کند.

3. سرعت پردازش:

   استفاده از فشرده‌سازی‌های جدید نیازمند سخت‌افزار قوی‌تر است، که ممکن است در دستگاه‌های اقتصادی یا ارزان‌تر وجود نداشته باشد.

سخن پایانی

الگوریتم‌های فشرده‌سازی تصویر نقش کلیدی در عملکرد دستگاه‌های ضبط‌کننده دارند. اگر به دنبال داشتن یک آرشیو طولانی‌مدت، حفظ کیفیت بالا، و کاهش هزینه‌ها هستید، انتخاب دستگاهی که از فناوری‌های H.265 یا H.265+ بهره ببرد، یک تصمیم منطقی است.