Digitalizovaný obrazový signál má veľkú prenosovú rýchlosť až 216 Mbit/s (v súlade s CCIR 601), a preto je nutné použiť vhodné spôsoby kompresie dát pre spracovanie a prenos obrazu. Kompresné algoritmy sa vyvíjajú pre rôzne aplikácie na medzinárodnej úrovni a sú testované a štandardizované viacerými organizáciami. Rozsah dostupných štandardizovaných metód pre kompresiu videa zastrešuje prakticky všetky aplikácie.
Niektoré kompresné algoritmy umožňujú použiť v rámci normy určitý stupeň variability, aby sa predišlo technologickým obmedzeniam. Najznámejšie metódy kompresie videa používajú štatistickú podobnosť susedných pixlov. Obrázok sa prevedie na frekvenčný priestorový blok použitím DCT (diskrétnej kosínusovej transformácie). Pri kódovaní videa je možné použiť silnú časovú synchronizáciu po sebe nasledujúcich snímok – pre zvyčajne statické objekty alebo pohybujúce sa viac-menej konštantným pohybom. Ak sa vypočíta rozdiel medzi obrazmi s odhadom pohybu, je potrebné zaznamenať zmeny z jednej snímky na ďalšiu.
Veľkosť vs. rýchlosť prenosu
Existujú dva hlavné dôvody na kompresiu videa:
- Chceme znížiť veľkosť videa, aby potrebovalo menej priestoru a dalo sa uložiť na rôzne média (CD, DVD a iné formáty)
- Chceme znížiť šírku pásma potrebnú na prenos videa cez digitálne pripojenie (LAN, WAN sieť, internet, SCSI alebo USB pripojenie)
Prvú generáciu digitálnych DVR nahradili videorekordéry a na trhu sa začali objavovať informácie o veľkosti úložného priestoru v kB, MB alebo TB. Avšak pre systémy druhej generácie sa stali dôležitejšími jednotkami prenosovej rýchlosti kbps alebo Mbps.
Priestorová vs. časová kompresia
Svet kompresných techník sa točí okolo dvoch základných pojmov: priestorová kompresia a časová kompresia. Priestorová kompresia používa jeden snímok ako samostatný objekt bez vzťahu ku iným snímkam a odstraňuje nepotrebné informácie. Časová kompresia sa zameriava na uloženie zmien medzi jednotlivými snímkami – neizoluje samostatné obrázky. Niektoré algoritmy, ako je napríklad MPEG predstavujú mix oboch metód – kompresiu jednotlivých snímok a zároveň presúvanie zmien medzi jednotlivými snímkami.
Stratová vs. bezstratová kompresia
Kompresné techniky sú rozdelené na bezstratovú (z pôvodného obrazu nestratia žiadne informácie) a stratovú (niektoré informácie sa z obrazu stratia). Aj keď sa môže na prvý pohľad zdať, že jasnou voľbou je bezstratový algoritmus, je potrebné si uvedomiť, že bezstratová kompresia je náročná na úložný priestor. Stratové algoritmy sú už dosť inteligentné a vedia nastaviť množstvo zbytočných informácií, ktoré „stratia“.
JPEG
JPEG je nesmierne populárny priestorový kompresný algoritmus zameraný na jednotlivé fotografie alebo na video s nízkou snímkovou frekvenciou. Štandard JPEG vyvinula Joint Photographic Expert Group (časť ISO) s cieľom efektívne ukladať jednotlivé obrázky. Pri použití kompresného faktoru medzi 10 a 20, nie je viditeľná žiadna strata kvality jednotlivých snímok. No použitím vyšších kompresných faktorov (okolo 40) sú už viditeľné zmeny oproti originálu. Na základe štandardných formátov a v snahe dosiahnuť dobrý kompromis medzi požiadavkami na kvalitu a na veľkosť, sa rozlíšenie CIF 352x288 bodov stalo v oblasti bezpečnostných technológií najpoužívanejšie.
M-JPEG
M-JPEG je priestorový kompresný algoritmus, v ktorom sa obrázky vo formáte JPEG prehrávajú v rýchlom slede za sebou a vytvárajú ilúziu pohybu. Video sekvencia sa skladá z mnohých individuálnych snímok. Opakovanou aplikáciou metódy JPEG na snímky z videosekvencie je možné znížiť objem dát z digitálnych kamier. M-JPEG neberie do úvahy vzťahy medzi jednotlivými snímkami, a preto má táto metóda iba relatívne nízky kompresný pomer v porovnaní s H.320 / H.261 alebo MPEG. V bezpečnostných technológiách je tento formát pomerne rozšírený – najmä kvôli archivácií videosekvencií , ľahkému prístupu ku jednotlivým snímkam a relatívne nízkym hardvérovým nákladom. M-JPEG však nie je medzinárodne uznávaný štandard a JPEG neobsahuje normu na prenos. Implementácie od rôznych výrobcov sú medzi sebou preto nekompatibilné.
H.320 / H.261
H.320 je časový kompresný algoritmus podobne ako MPEG. Štandard H.320 má odporúčanie ITU-T (od medzinárodnej telekomunikačnej únie) a skladá sa z množstva parciálnych noriem, ktorá sa zaoberajú jednotlivými aspektmi celého systému. Napríklad H.261 opisuje kódovanie videa a H.221 je zodpovedný za spojenie audio, video, dátových a riadiacich informácií. Algoritmus ponúka prijateľnú kvalitu a snímkovaciu frekvenciu obrazu optimalizovanú pre prenos cez ISDN. Kvalita obrazu je s 128 kbit/s (2 ISDN b kanály) podstatne lepšia. Vďaka širokému rozsahu pásma (od 64 až do 1920 kbit/s) môže byť tento algoritmus použitý univerzálne takmer vo všetkých mediálnych kanáloch.
Algoritmus H.320 vyvinuli hlavne pre obojstrannú komunikáciu medzi ľuďmi, v bezpečnostných technológiách je vhodná na prenos obrazu v reálnom čase. V ľudskej komunikácii je dôležité, aby omeškanie zvuku zostalo pod jednou desatinou sekundy, inak by bola komunikácia veľmi komplikovaná. Používateľ si môže vybrať medzi prenosom s optimalizovanou ostrosťou obrazu alebo optimalizovaným pohybom obrazu.
H.261 štandardne prenáša obrázky v CIF rozlíšení (352x288), ale môže prenášať aj v štvrtine tohto rozlíšenia (176x144). H.320 sa neobmedzuje len na kódovanie obrazu, takisto štandardizuje ostatné komponenty v kompletnom systéme prenosu. Najvýznamnejšou výhodou H.320 je štandardizácia, čo znamená kompatibilitu medzi rôznymi výrobcami. Napríklad, ISDN videotelefón od jedného výrobcu môže audiovizuálne komunikovať s ISDN systémom videokonferencie alebo s ISDN video vysielačom iného výrobcu.
H.263
H.263 je ďalšia iterácia metódy H.261. Kompresný algoritmus bol optimalizovaný pre nízke rýchlosti prenosu (pod 64 kbit/s) - napríklad cez modem alebo analógovými telefónnymi linkami. H.230 predpokladá, že sa H.263 použije ako alternatíva ku H.261. H.263 zlepšuje kvalitu obrazu a obnovovaciu frekvenciu obrazu špeciálne pre vysielanie v mobilnej rádiovej sieti GSM (9600 bit/s) alebo v analógovej telefónnej sieti. Pri vyšších prenosových rýchlostiach je kvalita porovnateľná s H.261.
MPEG-2
MPEG-2 je štandardný časový kompresný algoritmus pre kvalitný prenos videa. Vylepšenie štandardu MPEG-1, MPEG2 bol vyvinutý špeciálne pre digitálnu televíziu. MPEG-2 zohľadňuje preloženie riadkov používané pre štandardný televízny signál. Zároveň poskytuje aj vyššiu úroveň kvality a možnosti (nazývané profily a úrovne), ktoré umožňujú profesionálny prenos videozáznamu. Rýchlosť prenosu dát môže byť až 15 Mbit/s.
MPEG-4 (Part 2)
MPEG-4 (Part 2) sa stal štandardom časového kompresného algoritmu pre CCTV. Používa ho aj Bosch Video pre IP kódery a dekódery. MPEG-4 bol pôvodne vytvorený pre kódovanie videa s extrémne nízkou prenosovou rýchlosťou dát (<< 64 kbit / s). Avšak v porovnaní s H.324 neboli prvé výsledky príliš presvedčivé. Takže pozornosť sa obrátila na nástroje na prácu s obrazom a na popis scén zložených z prirodzeného a počítačovo generovaného obsahu, čo odzrkadľuje jeho popularitu v počítačových hrách. MPEG-4 je nástroj umožňujúci opis všetkých ohraničených čiastkových oblastí snímky a je cenný pre editovanie obrázkov a videí. Štandardizácia MPEG-4 ešte nebola dokončená.
H.264, MPEG-4 (part 10), AVC (Advanced Video Coding)
Tento štandard je navrhnutý tak, aby bol o 50% efektívnejší než MPEG-2 a MPEG-4 Part 2 a zároveň ponúka rovnakú kvalitu videa. H.264 podporuje množstvo aplikácií - vysoké a nízke rozlíšenie, vysoká a nízka prenosová rýchlosť a mnoho druhov médií od IP siete až po DVD a telefónne systémy. H.264 alebo MPEG-4 (part 10) by malo byť štandardom pre priemyselné vysielanie, ale vzhľadom k väčšiemu oneskoreniu, nemôže byť použitý priamo pre dohľad, kde je najdôležitejšie nižšie časové oneskorenie. Kompresný algoritmus je náročnejší než MPEG-4 (part 2), čo znamená, že súčasných hardvérových prostriedkoch môže dôjsť k poklesu obnovovacieho kmitočtu. Bezpečnostný priemysel môže použiť vybrané časti H.264, aby mohol využiť 20-30% vylepšenie kompresných pomerov bez toho, aby bolo ohrozené časové oneskorenie.
Hoci je H.264 je veľmi obľúbený v bezpečnostnom priemysle, jeho cieľom je zlepšiť kvalitu obrazu pri nízkych prenosových rýchlostiach. Pri výbere systému založenom na H.264 je potrebné zobrať do úvahy, presné odmeranie prenosovej rýchlosti pri vybrané rozlíšenie a počet snímok za sekundu. Niektorí výrobcovia nezlepšili výkon, ale použili H.264 na kompresiu I-snímok, ale v skutočnosti používajú M-JPEG a okrem marketingového odlíšenia neponúkajú žiadne iné výhody.
Wavelet
Wavelet je priestorový kompresný algoritmus, ktorého výsledkom je hladší a páperovitejší obraz než JPEG. Aj metóda wavelet bola, rovnako ako JPEG, vyvinutá pre kódovanie jednotlivých snímok. V metóde JPEG je obraz najprv rozdelený na 8x8 blokov, ktoré sú potom jednotlivo kódované. Metóda wavelet obsahuje aj filtrovanie kompletného obrazu s úmyslom rozdeliť rôzne rozlišovacie úrovne. Obraz je teda postupne rozdelený do zložiek horných a dolných priepustí, ktoré sú pre ľudské vnímanie dôležité. Vlnky rôznych tvarov, nazývané wavelet sa používajú na filtrovanie a ich koeficienty opisujú obsah obrazu. Výhodou wavelet transformácie je kompaktnejší opis obrazu v porovnaní s JPEG (minimálne teoreticky). Okrem toho artefakty, ktoré sú pri vyšších kompresných pomeroch nevyhnutné, sú zvyčajne subjektívne prijateľnejšie s metódou wavelet. Pri vyššej kompresii, sú wavelet obrazy rozmazané a hrany sú rozmazané filtrom. V praxi metódy JPEG a wavelet nevykazujú žiadne veľké výkonnostné rozdiely, aj keď marketingové slogany hlásia opak. Veľký počet funkcií založených na wavelet metóde predstavuje pre štandardizáciu prekážku, pretože rôzne kódery a dekódery sú medzi sebou nekompatibilné.
Fraktálna kompresia obrazu
Podobne ako JPEG, táto metóda nie je bezstratová a je založená na fraktálnej geometrii. Je založená na pozorovaní, že prirodzené objekty sa vzájomne podobajú a riadia sa fraktálnou geometriou, v ktorej hrubé štruktúry vyzerajú rovnako ako jemné (tzn. že sa opakujú). Hlavnou úlohou je nájsť v rámci digitálnych snímok takéto podobnosti a efektívne opísať fraktály a ich opakovania. Táto metóda je z pohľadu kompresie veľmi pomalá kvôli zložitej analýze a ešte nebola štandardizovaná.
