เทคโนโลยีการบีบอัดภาพ (Video Compression)

เนื่องจากข้อมูลที่เป็นรูปภาพ ไม่ว่าจะเป็น ภาพนิ่ง (Still Image) และภาพเคลื่อนไหว (Video) เป็นข้อมูลที่มีขนาดใหญ่มาก จึงได้มีการคิดค้นวิธีการต่าง ๆ เพื่อใช้ในการลดขนาดของข้อมูลภาพลง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการจัดเก็บ และลดความต้องการใช้ Bandwidth (ซึ่งเป็นทรัพยากรที่มีอยู่อย่างจำกัด) ของระบบในการส่งข้อมูลลง โดยยังคงรักษาคุณภาพของภาพที่ได้ให้ดีที่สุด หรือใกล้เคียงกับต้นฉบับให้มากที่สุด

ระบบการรักษาความปลอดภัยด้วยกล้องวงจรปิด ได้รับเอาเทคโนโลยีในการลดขนาดของข้อมูลลง จากมาตรฐานของอุตสาหกรรมอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตและบันทึกภาพ (Video and Recording) โดยปัจจุบันมีเทคโนโลยีในการบีบอัดภาพซึ่งเป็นที่นิยม ดังนี้

1. MJPEG หรือ Motion JPEG

เป็นการใช้เทคโนโลยีการบีบอัดภาพแบบ JPEG (ในกรณีที่เป็นภาพนิ่ง เหมือนกับที่ใช้กับหน้า web page หรืองานทางด้านคอมพิวเตอร์ทั่ว ๆ ไป) กับภาพแต่ละ Frame แล้วนำแต่ละ Frame มาแสดงผลอย่างต่อเนื่อง ทำให้มองเห็นเป็นภาพเคลื่อนไหว ในลักษณะเดียวกับการสร้างการ์ตูน ภาพเคลื่อนไหวที่ได้จากเทคโนโลยีการบีบอัดภาพแบบ MJPEG จะมีคุณภาพที่สูง เพราะให้ความสำคัญกับความละเอียดของภาพ (Resolution) แต่ละ frame เป็นอิสระต่อกัน แต่จะมีปริมาณข้อมูลที่มาก ส่งผลให้การจัดเก็บใน Harddisk (หรือ อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแบบอื่น ๆ เช่น Flash Dr ive) ค่อนข้างกินพื้นที่ หากต้องการเก็บข้อมูลไว้นานหลาย ๆ วันมากขึ้น ก็จะต้องใช้ Storage มากขึ้น นอกจากนั้นแล้ว การส่งผ่านข้อมูลภาพ (Video Streaming) ในเครือข่าย (LAN) หรือผ่าน Internet จะกิน Bandwidth ค่อนข้างมาก

2. MPEG-4 หรือ MPEG-4 Part 2

หลักการหรือแนวคิดอย่างกว้าง ๆ ของการบีบอัดหรือลดขนาดของภาพ คือ ส่วนการประมวลผล จะมองภาพเคลื่อนไหวทั้งหมดเป็นกลุ่ม ๆ (Group of View) ในแต่ละกลุ่ม จะประกอบไปด้วย Frame หลาย ๆ Frame เรียกว่า Group of Picture ในแต่ละ GOP จะเริ่มต้นด้วยการจัดเก็บภาพแรกไว้ก่อน เรียกว่า Key Frame หรือ i-frame จากนั้นจะตรวจสอบส่วนย่อย ๆ คือ block แต่ละ block (block คือกลุ่มของ Pixel ) ใน key frame เปรียบเทียบกับ frame ถัด ๆ ไป คือ p-frame กับ b-frame ว่ามี block ใดที่เกิดการเปลี่ยนแปลงไปจาก i-frame จึงจะทำการ update ภาพนั้น ๆ ด้วยการส่งเฉพาะ block ที่มีการเปลี่ยนแปลง ไปให้ เพื่อจัดเก็บหรือ แสดงผลภาพที่อุปกรณ์ปลายทาง (ซึ่งอาจจะเป็น เครื่องบันทึก NVR โทรศัพท์มือถือ Smart Phone หรือ Computer) หาก GOP มีขนาดใหญ่ i-frame จะมีจำนวนน้อย ซึ่งจะช่วยให้ bit rate ลดน้อยลง ระบบจะใช้ Bandwidth น้อยลง เทคโนโลยีการบีบอัดภาพแบบ MPEG-4 ให้ความสำคัญกับ ความต่อเนื่องของภาพ (frame per second) มากกว่าคววามละเอียดของภาพ (Resolution) จึงช่วยให้การดูภาพพร้อมกันไปกับเสียง audio มี delay น้อย หรือใกล้เคียงกันมาก (Syncronization) และช่วยให้พื้นที่ที่ต้องการใช้ในการจัดเก็บภาพเคลื่อนไหวน้อยลงกว่าแบบ Motion JPEG (MJPEG) และเมื่อต้องส่งข้อมูลผ่านเครือข่าย IT (LAN หรือ Internet) จะกิน Bandwidth ที่น้อยกว่า นอกจากนั้นแล้ว การบีบอัดภาพแบบ MPEG-4 ยังอาจใช้เทคนิคอื่น ๆ เพิ่มอีก เช่น Motion Compensation คือ ส่วนประมวลผลจะทำการเปรียบเทียบเพื่อหา block ที่เหมือนกันใน i-frame กับ p-frame ซึ่งอาจจะเคลื่อนย้ายไปอยู่ในตำแหน่งอื่น (ภาพเกิดการเคลื่อนไหว) จะส่งข้อมูลที่เรียกว่า motion vector ของ block ดังกล่าวไป แทนที่จะต้องส่งข้อมูลทั้ง block ช่วยลดขนาดของข้อมูลลงได้

3. H.264 หรือ MPEG-4 Part 10

นอกเหนือจากการใช้เทคนิคแบบเดียวกับ MPEG-4 Part 2 แล้ว เทคโนโลยี H.264 ใช้วิธีการสร้างภาพ (i-frame) ด้วยการแบ่ง block ออกเป็นพื้นที่ย่อย ๆ 4x4 pixel แล้วสร้างภาพในพื้นที่ 4x4 pixel ดังกล่าวด้วย pixel รอบ ๆ บริเวณนั้น ทั้งในแนวตั้ง แนวนอน และแนวทแยง การสร้างภาพด้วยวิธีการดังกล่าวช่วยลดขนาดของ file ลงได้มาก โดยเปรียบเทียบ สามารถลดขนาดของ file ลงได้ถึง 80% เมื่อเปรียบเทียบกับ MJPEG (Motion JPEG) และลดขนาดของ file ลงได้ถึง 50% เมื่อเทียบกับ MPEG-4 นอกจากนั้นแล้ว เทคโนโลยี H.264 มีความยืดหยุ่นมาก เทคนิค Motion Compensation สามารถกำหนดขนาดและรูปร่างของ block ได้ เมื่อต้องการค้นหา block ที่เหมือนกันในการส่งข้อมูล motion vector และหากไม่สามารถค้นหา matching block ใน i-frame ส่วนประมวลผลสามารถไปค้นหาจาก block อื่น ๆ ภายใน frame เดียวกันได้ และเพื่อแก้ปัญหาภาพแตกเมื่อนำกลับมาแสดงผลหลังจากการบีบอัด H.264 จะใช้เทคนิค Deblocking Filter เป็นการคำนวณหาค่าเฉลี่ยของสีที่บริเวณขอบ รอยต่อระหว่าง block แล้วปรับ Pixel ที่รอยต่อระหว่าง block ทำให้ภาพที่ได้มีความเนียนมากขึ้น