Der Fokus liegt auf Qualität
Auch in Zeiten von HDTV, WDR und hohen Lichtempfindlichkeiten ist das Niveau der Bildqualität von Videoüberwachungsaufnahmen ein Thema, gerade bei Videoforensikern. Die mit Abstand häufigste Ursache für schlechte Resultate in der Aufzeichnung ist die Videokompression selbst. Axis‘ Zipstream Technologie reduziert die Bandbreite um bis zu 50 Prozent – ohne die dynamische Natur der Bitrate zu verändern.
Forensiker fordern mehr Details, um die Täteridentifizierung zu vereinfachen.
In Zeiten von HDTV, Wide Dynamic Range (WDR) und hohen Lichtempfindlichkeiten sollte man eigentlich meinen, dass die Bildqualität von Videoüberwachungsaufnahmen ein sehr hohes Niveau besitzt und den Ermittlungsbehörden das Leben deutlich erleichtert. Leider ist dies tatsächlich nur sehr selten der Fall und die Videoforensiker fordern nach wie vor: „Gebt uns mehr Details!“ Die mit Abstand häufigste Ursache für schlechte Resultate in der Aufzeichnung ist die Videokompression selbst. Auch wenn der Errichter wirklich alles in puncto Installation, Ausrichtung und Kameraeinstellungen bedacht hat, bleiben die Kompressionseinstellungen für H.264 im Regelfall völlig unangetastet. Man verlässt sich auf die Default- Einstellungen in der Kamera, im Rekorder oder im Videomanagementsystem, was in der Praxis dann zu unbrauchbaren Bildern führen kann.
Weniger Fokus auf Quantität, dafür mehr Qualität
Das einzige Ziel einer Videoüberwachungsanlage in der Sicherheitstechnik ist die Beweissicherung, also die Sicherstellung von forensisch wertvollen Informationen.
Für die Aufzeichnung ist die von der Kamera oder dem Encoder erzeugte Datenrate die elementare Kalkulationsgröße. Je höher die Datenrate, desto mehr Speicherplatz wird verbraucht und desto mehr Daten werden durch das Netzwerk übertragen. Die Natur der Datenrate einer IP-Kamera ist an sich dynamisch, sie schwankt in Abhängigkeit der Szenenkomplexität. Es stellt einen Unterschied dar, ob ein stark frequentierter Eingangsbereich einer U-Bahn überwacht wird oder der Hintereingang eines Lagers, vor dem sich nur wenige Personen oder Fahrzeuge aufhalten.
Nehmen wir als Beispiel ein verkabeltes LAN. In diesem LAN werden wir voraussichtlich keinen nennenswerten Flaschenhals in puncto Netzwerklast vorfinden. Auf Seiten des Network Video Recorder (NVR) bzw. Servers sieht dies allerdings anders aus.
Ein Rechenbeispiel: Ein NVR hat einen maximalen Gesamtdatendurchsatz (A), die Anzahl der geplanten Kanäle (B) ist bekannt. Bei dieser simplen Kalkulation dividiert man A durch B und erhält so den Datendurchsatz pro Kanal. Je günstiger die eingesetzte Hardware im NVR, desto geringer ist der ermittelte Wert der Division.
Der nächste Schritt vieler Hersteller ist allerdings äußerst fragwürdig und kann in der Praxis zu deutlichen Qualitätsverlusten in der Aufnahme führen: Der ermittelte Wert wird als maximal mögliche abgehende Bitrate in der Kamera definiert, die sogenannte MBR (Maximum Bit Rate).
Für den Hersteller hat dies den Vorteil, dass das „Videokanälepro- Rekorder“-Versprechen eingehalten werden kann. Für den Videoforensiker hingegen hat es einen entscheidenden Nachteil, welcher in unserer Branche noch weitgehend unbekannt ist.
Bild oben mit aktiviertem Zipstream. Bild unten mit deaktiviertem Zipstream.
Bitrate-Controller
In der Kamera sorgt der sogenannte Bitrate-Controller für die Einhaltung der MBR-Werte. Er vergleicht kontinuierlich den gewünschten MBR-Wert mit der tatsächlichen Bitrate. Ist die tatsächliche Bitrate höher als der MBR-Wert, wird der Kompressionsgrad angehoben. Sinkt die Bitrate wieder ab und liegt unter dem MBR-Niveau, wird die Kompression entsprechend abgesenkt.
Problematisch an diesem Prozess ist allerdings, dass die Kamera selbst über den Kompressionsgrad entscheidet und dies primär in Abhängigkeit zur Szenenkomplexität an sich erfolgt. Es wird genau dann stärker komprimiert, wenn etwas im Bild passiert. Unglücklicherweise sind dies typischerweise exakt die Momente, in denen der Forensiker nach Informationen in der Aufzeichnung sucht. Die MBR-Methode wurde ursprünglich entwickelt, um Videostreams einer beliebigen (hohen) Bitrate auf eine niedrigere Bitrate zu senken, z. B. für das Live-Streaming im Internet. In der Videotechnik jedoch sind niedrige MBR-Werte unprofessionell und können forensisch wertvolle Informationen leider sehr schnell vernichten, obwohl die Kamera aus technischer Perspektive eigentlich in der Lage wäre, diese sauber zu dokumentieren.
Die Empfehlung lautet daher, unbedingt die Default-Werte in der Kamera, im NVR oder im Videomanagement zu überprüfen und äußerst kritisch zu hinterfragen.
Axis‘ Zipstream
Die Zipstream-Technologie wurde von Axis mit dem Ziel entwickelt, die Bitrate im Durchschnitt so weit wie möglich abzusenken, ohne die gravierenden Nachteile der in der Branche üblichen MBR-Limits in Kauf nehmen zu müssen.
Möglich ist dies durch einen dynamischen Algorithmus, der den Kompressionsgrad nicht mehr global auf das gesamte Bild anwendet, sondern dynamisch zwischen Bereichen mit oder ohne Struktur und Bewegung unterscheidet.
Dabei wird angenommen, dass Bereiche ohne Struktur und Bewegung vom forensischen Wert her als untergeordnet betrachtet werden können. Diese Bereiche werden folglich gefahrlos komprimiert. In Bereichen mit Struktur und ohne Bewegung wird die Kompression weniger stark angehoben – ohne sichtbare Qualitätseinbußen in Kauf nehmen zu müssen.
Die Bereiche mit Bewegung werden grundsätzlich vom Zipstream-Algorithmus nicht zusätzlich zur Standardkomprimierung bearbeitet, da sie forensisch relevante Informationen enthalten könnten, deren Zerstörung nicht akzeptabel wäre.
Parallel dazu sorgt eine intelligente Rauschunterdrückung für Einsparungen in Szenen, in denen eine schlechte Beleuchtung zu erhöhtem Bildrauschen führt. Die Zipstream-Technologie arbeitet nicht mit künstlicher Bitrate- Limitierung und pauschal höherer Kompression. Sie ermöglicht keine absolute Speicherbedarfsermittlung, sondern sorgt vielmehr dafür, dass der forensische Wert auf einem möglichst hohen Niveau in Relation zu der im Durchschnitt verbrauchten Bandbreite gehalten wird.
Den größten Effekt kann man in Szenen erreichen, deren Bewegungsanteil gering ist oder in denen niedrige Lichtwerte für ein starkes Bildrauschen sorgen. Standard-Noise-Reduction-Methoden arbeiten mit einem globalen Ansatz, der auch zu ungewollten Informationsverlusten führen kann. Im Zipstream-Kontext wird die Rauschunterdrückung in den Bildbereichen deaktiviert, in denen eine erkennbare Bewegung stattfindet. Auch hierbei steht die forensisch relevante Information im Vordergrund.
Die Implementierung einer dynamischen GOP-Länge überträgt I-Frames (Vollbilder) nur dann erneut, wenn eine Szene sich auch tatsächlich verändert hat und nicht nur in Abhängigkeit zu einer zeitlichen Abfolge. So können insbesondere bei Live- Video oder 24/7-Aufzeichnungen weitere deutliche Einsparungen erreicht werden.
Erfreulich ist, dass Zipstream im H.264-Standard funktioniert und keine zusätzlichen Anforderungen an den Decoder stellt. Im Gegenteil, die Reduzierung der Datenrate führt auf Client-Seite sogar zu geringeren Anforderungen an die CPU. Einzig die dynamische GOP-Länge kann dort für Herausforderungen sorgen, wo die Dekomprimierung statisch implementiert wurde, also in zyklisch definierten Abständen einen I-Frame erwartet. Alle bisher getesteten Videomanagementsysteme namhafter Hersteller haben diesbezüglich keine Probleme gezeigt.
Reduzierung der Bitrate dank Zipstream
Fazit
Der möglichst kritische Umgang mit der Limitation von Bitraten ist im Hinblick auf den forensischen Wert einer Videoüberwachung äußerst wünschenswert und das nicht nur auf Seiten der Errichter, sondern primär auf Seiten der Hersteller. Die Verantwortung in diesem Bereich darf nicht auf den Errichter abgewälzt werden.
Die Axis Zipstream-Technologie verändert nicht die dynamische Natur der Bitrate an sich, sondern komprimiert nur die Bildinhalte, die für die forensische Arbeit als irrelevant eingestuft werden. Im Schnitt lassen sich die Bitrate und der Speicherplatz damit deutlich optimieren, ohne die wichtigen Informationen zu zerstören.
