تکنولوژی فشرده‌سازی تصویر H.264 و H.265: کاهش حجم ویدئو

چرا فشرده‌سازی تصویر ضروری است؟

تصاویر ویدئویی، به خصوص در رزولوشن‌های بالا (مانند Full HD, 4K و 8K)، حجم بسیار زیادی دارند. اگر این تصاویر بدون فشرده‌سازی ذخیره یا منتقل شوند، با مشکلات جدی مواجه خواهیم شد:

• فضای ذخیره‌سازی: نیاز به هارد دیسک‌های بسیار بزرگ و پرهزینه برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت.
• پهنای باند شبکه: نیاز به پهنای باند بسیار بالا برای انتقال تصاویر زنده یا ضبط‌شده، که می‌تواند منجر به تأخیر (Latency) و قطعی در انتقال شود.
• هزینه‌ها: افزایش چشمگیر هزینه‌های مرتبط با سخت‌افزار و زیرساخت.

فشرده‌سازی، این مشکلات را با کاهش حجم داده‌ها حل می‌کند و امکان استفاده بهینه از منابع را فراهم می‌آورد.

1. H.264 (AVC - Advanced Video Coding): استاندارد پرکاربرد

H.264 که با نام MPEG-4 Part 10 یا AVC (Advanced Video Coding) نیز شناخته می‌شود، یک استاندارد فشرده‌سازی ویدئو است که در سال 2003 معرفی شد. این کدک به سرعت به یکی از پرکاربردترین استانداردهای فشرده‌سازی ویدئو در جهان تبدیل شد و در طیف وسیعی از کاربردها، از پخش آنلاین ویدئو (یوتیوب، نتفلیکس)، دیسک‌های بلوری و DVD گرفته تا سیستم‌های دوربین مدار بسته، مورد استفاده قرار گرفت.

نحوه عملکرد H.264:

H.264 برای فشرده‌سازی از الگوریتم‌های پیشرفته‌ای استفاده می‌کند که شامل دو رویکرد اصلی است:

• فشرده‌سازی درون‌فریمی (Intra-frame Compression): این روش هر فریم را به صورت جداگانه فشرده می‌کند، مشابه فشرده‌سازی تصاویر JPEG. تصویر به بلوک‌های کوچکتر (معمولاً 16x16 پیکسل) تقسیم شده و افزونگی‌های فضایی در هر بلوک حذف می‌شوند.
• فشرده‌سازی بین‌فریمی (Inter-frame Compression): این روش کارایی اصلی H.264 را فراهم می‌کند. از آنجایی که در یک جریان ویدیویی، فریم‌های متوالی معمولاً تفاوت‌های کمی با یکدیگر دارند (مگر اینکه حرکت زیادی در صحنه باشد)، H.264 به جای ذخیره‌ی کامل هر فریم، فقط تفاوت‌ها و تغییرات بین فریم‌ها را ثبت می‌کند. این کار با استفاده از الگوریتم‌های پیش‌بینی حرکت (Motion Prediction) انجام می‌شود. به عنوان مثال، اگر پس‌زمینه‌ی تصویر ثابت باشد، فقط پیکسل‌های مربوط به سوژه‌ی متحرک ذخیره می‌شوند و اطلاعات ثابت پس‌زمینه تکرار نمی‌شوند.

مزایای H.264:

• کارایی بالا: در زمان خود، H.264 پیشرفت چشمگیری نسبت به کدک‌های قبلی (مانند MPEG-2) داشت و توانست حجم ویدئو را با حفظ کیفیت قابل قبول به میزان زیادی کاهش دهد.
• سازگاری گسترده: به دلیل استفاده‌ی طولانی‌مدت، تقریباً تمام دستگاه‌ها و نرم‌افزارهای پخش ویدئو از H.264 پشتیبانی می‌کنند.
• پایداری: یک استاندارد اثبات‌شده و پایدار است.

معایب H.264:

• محدودیت در رزولوشن‌های بالا: برای ویدئوهای 4K و بالاتر، H.264 همچنان به پهنای باند و فضای ذخیره‌سازی قابل توجهی نیاز دارد.
• کارایی کمتر نسبت به نسل جدید: در مقایسه با H.265، کارایی فشرده‌سازی کمتری دارد.

2. H.265 (HEVC - High Efficiency Video Coding): نسل آینده فشرده‌سازی

H.265 که با نام HEVC (High Efficiency Video Coding) نیز شناخته می‌شود، نسل بعدی استاندارد فشرده‌سازی ویدئو است که در سال 2013 به عنوان جایگزینی برای H.264 معرفی شد. هدف اصلی H.265، ارائه‌ی کارایی فشرده‌سازی دوبرابری نسبت به H.264 با حفظ همان کیفیت تصویر بود. این بدان معناست که یک ویدئوی فشرده‌شده با H.265 می‌تواند نصف حجم یک ویدئوی فشرده‌شده با H.264 را اشغال کند، بدون اینکه افت کیفیت محسوسی داشته باشد.

نحوه عملکرد H.265 (بهبود نسبت به H.264):

H.265 بر پایه‌ی اصول H.264 بنا شده، اما با بهینه‌سازی‌ها و الگوریتم‌های پیشرفته‌تر، کارایی خود را به میزان قابل توجهی بهبود بخشیده است:

• واحدهای درختی کدگذاری (CTUs - Coding Tree Units): H.265 به جای ماکروبلاک‌های ثابت (16x16) در H.264، از واحدهای درختی کدگذاری (CTUs) استفاده می‌کند که می‌توانند اندازه‌های بسیار متفاوتی (از 4x4 تا 64x64 پیکسل) داشته باشند. این انعطاف‌پذیری به کدک اجازه می‌دهد تا مناطق مختلف تصویر (مانند پس‌زمینه ثابت یا جزئیات پیچیده) را به صورت کارآمدتر فشرده کند.
• پیش‌بینی حرکت بهبودیافته: H.265 از الگوریتم‌های پیشرفته‌تری برای پیش‌بینی حرکت استفاده می‌کند، از جمله تعداد بیشتری از جهت‌گیری‌های پیش‌بینی (تا 33 جهت در مقابل 9 جهت در H.264) و تحلیل حرکت دقیق‌تر. این بهبودها منجر به کاهش بیشتر داده‌های تکراری می‌شود.
• فشرده‌سازی موازی (Parallel Processing): H.265 طراحی شده است تا بتواند بخش‌های مختلف یک فریم را به صورت موازی پردازش کند، که این امر برای رزولوشن‌های بسیار بالا (مانند 4K و 8K) که نیاز به قدرت پردازشی زیادی دارند، بسیار مهم است.

مزایای H.265 در دوربین‌های مداربسته:

• کاهش چشمگیر فضای ذخیره‌سازی: این مهم‌ترین مزیت است. با H.265 می‌توانید حجم فایل‌های ضبط‌شده را تا 50% یا بیشتر کاهش دهید. این به معنای نیاز به هارد دیسک‌های کوچکتر یا افزایش چشمگیر مدت زمان ذخیره‌سازی با همان ظرفیت هارد است.
• کاهش مصرف پهنای باند: برای انتقال تصاویر با کیفیت بالا (به ویژه 4K و بالاتر)، H.265 به پهنای باند بسیار کمتری نیاز دارد. این امر باعث می‌شود که تصاویر روان‌تر پخش شوند، تأخیر کاهش یابد و فشار بر روی شبکه کمتر شود، به خصوص برای دسترسی از راه دور.
• پشتیبانی از رزولوشن‌های بالاتر: H.265 برای پشتیبانی از رزولوشن‌های 4K، 8K و حتی بالاتر بهینه‌سازی شده است.
• کیفیت تصویر بهتر در نرخ بیت پایین: در یک نرخ بیت مشخص، H.265 می‌تواند کیفیت تصویر بهتری نسبت به H.264 ارائه دهد.

معایب H.265:

• نیاز به قدرت پردازشی بیشتر: فشرده‌سازی و رمزگشایی H.265 به دلیل الگوریتم‌های پیچیده‌تر، نیاز به قدرت پردازشی (CPU/GPU) بیشتری دارد. این بدان معناست که دستگاه‌های DVR/NVR قدیمی‌تر ممکن است قادر به پشتیبانی از H.265 نباشند یا نیاز به پردازنده‌های قوی‌تری داشته باشند.
• سازگاری کمتر (در گذشته): در گذشته، H.265 به اندازه H.264 رایج نبود، اما امروزه اکثر دستگاه‌های جدید از آن پشتیبانی می‌کنند.

H.264 در مقابل H.265: کدام یک بهتر است؟

نسخه‌های پلاس (+): برخی تولیدکنندگان (مانند هایک‌ویژن با H.264+ و H.265+) نسخه‌های بهینه‌شده‌ای از این کدک‌ها را ارائه می‌دهند که با استفاده از الگوریتم‌های هوشمندتر (مثلاً عدم ضبط مجدد اطلاعات ثابت پس‌زمینه در صورت عدم تغییر)، کارایی فشرده‌سازی را حتی بیشتر افزایش می‌دهند. این نسخه‌های پلاس معمولاً به معنای کاهش بیشتر در مصرف پهنای باند و فضای ذخیره‌سازی هستند.

آینده در دستان H.265 است

در حالی که H.264 همچنان یک کدک پرکاربرد و قابل اعتماد است، H.265 (HEVC) بدون شک آینده فشرده‌سازی ویدئو، به خصوص در سیستم‌های نظارتی با کیفیت بالا، است. با افزایش روزافزون استفاده از دوربین‌های 4K و بالاتر، نیاز به کدک‌هایی که بتوانند حجم داده‌ها را به طور موثر مدیریت کنند، بیش از پیش احساس می‌شود. با انتخاب دوربین‌ها و دستگاه‌های ضبطی که از H.265 پشتیبانی می‌کنند، می‌توانید به طور قابل توجهی در هزینه‌های مربوط به ذخیره‌سازی و پهنای باند صرفه‌جویی کنید و در عین حال از بالاترین کیفیت تصویر بهره‌مند شوید.

هنگام خرید یا ارتقاء سیستم مداربسته خود، حتماً به پشتیبانی از کدک‌های H.265 (و نسخه‌های پلاس آن) در دوربین‌ها و دستگاه ضبط توجه کنید تا از یک سیستم بهینه و آینده‌نگر برخوردار شوید.

در منهاج سیستم، ما مجموعه‌ای از دوربین‌های مداربسته و دستگاه‌های ضبط را ارائه می‌دهیم که از جدیدترین استانداردهای فشرده‌سازی H.265 و H.265+ پشتیبانی می‌کنند، تا شما بتوانید با اطمینان خاطر، بهترین بهره‌وری را از سیستم نظارتی خود ببرید. برای مشاوره تخصصی در این زمینه، با ما تماس بگیرید.