IP-Kameras in der Netzwerk-Topologie: Komprimierung optimieren für effiziente Datenverarbeitung
19 Jun, 2023

IP-Kameras sind weit verbreitet in öffentlichen Verkehrsmitteln und tragen zur Verbesserung der Sicherheit an Bord bei. ROQSTAR Ethernet Switches lassen sich nahtlos mit diesen Kameras verbinden und gewährleisten so optimale Funktionalität und Datenübertragung. Allerdings tragen IP-Kameras erheblich zur Netzwerklast bei. Um eine robuste und zuverlässige Netzwerkinfrastruktur zu gewährleisten, sind korrekte Videoeinstellungen und eine sorgfältige Netzwerkplanung unerlässlich. In diesem Artikel untersuchen wir die Bedeutung von Videoparametern und Datenkomprimierung für eine effiziente Datenverarbeitung und Netzwerkoptimierung in öffentlichen Verkehrsmitteln.

IP Cameras and Network Topology Design: Optimizing Compression for Efficient Data Handling

Arten der Videokomprimierung

Videokomprimierungstechniken spielen eine entscheidende Rolle für die effiziente Speicherung, Übertragung und Wiedergabe digitaler Videoinhalte. Angesichts der Vielzahl von Komprimierungsstandards ist es wichtig, die Unterschiede in den Bandbreitenanforderungen und die damit verbundenen Vor- und Nachteile jeder Technik zu verstehen. In diesem Zusammenhang vergleichen wir die Bandbreitenanforderungen und die wichtigsten Merkmale der Videokomprimierungsstandards für unkomprimiertes Video, MJPEG, MPEG-2, MPEG-4, H.264 und H.265. Ziel ist es, den Betreibern von öffentlichen Verkehrsmitteln fundierte Entscheidungen zur Optimierung ihrer IP-Netzwerke in Bussen und Straßenbahnen zu ermöglichen.

Unkomprimiertes Video

Unkomprimiertes Video bezieht sich auf rohe Videodaten, die ohne jegliche Komprimierung gespeichert werden. Es zeichnet sich durch die höchstmögliche Qualität aus, erfordert jedoch eine erhebliche Menge an Bandbreite für die Übertragung und Speicherung. Die für unkomprimiertes Video erforderliche Bandbreite hängt von Faktoren wie Auflösung, Bildrate und Farbtiefe ab. Es bietet zwar eine unvergleichliche Wiedergabetreue, aber die großen Dateigrößen und die hohen Bandbreitenanforderungen schränken seine Anwendbarkeit für die meisten Anwendungen ein.

MJPEG (Motion JPEG)

MJPEG komprimiert jedes Einzelbild einer Videosequenz als ein einzelnes JPEG-Bild. Während die Qualität der einzelnen Bilder erhalten bleibt, fehlt die Komprimierung zwischen den Bildern, was zu größeren Dateien und höheren Bandbreitenanforderungen führt. MJPEG bietet einfache und effiziente Kodierungs- und Dekodierungsverfahren und ist daher für bestimmte Anwendungen geeignet. Aufgrund des hohen Bandbreitenbedarfs und der relativ geringen Kompressionseffizienz ist es jedoch für Anwendungen mit eingeschränkter Bandbreite weniger geeignet.

MPEG-2 (Moving Picture Experts Group 2)

MPEG-2 ist ein weit verbreiteter Videokompressionsstandard, der vor allem bei DVD-Video, digitalem Fernsehen und Satellitenübertragung eingesetzt wird. Er bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Videoqualität und Bandbreiteneffizienz. MPEG-2 erreicht die Kompression durch verschiedene Techniken, darunter räumliche Kompression, zeitliche Kompression und Transformationskodierung. Die Bandbreitenanforderungen von MPEG-2 sind im Vergleich zu unkomprimiertem Video und MJPEG geringer, wodurch es sich für verschiedene Rundfunkanwendungen eignet. Die Komprimierungseffizienz ist jedoch geringer als bei neueren Standards, was zu größeren Dateien und eingeschränkter Kompatibilität mit modernen Streaming-Plattformen führt.

MPEG-4

MPEG-4 ist ein vielseitiger Videokomprimierungsstandard, der für eine Vielzahl von Anwendungen wie Internet-Streaming, Videokonferenzen und Multimedia-Speicherung entwickelt wurde. Er bietet im Vergleich zu MPEG-2 eine verbesserte Komprimierungseffizienz bei gleichbleibend guter Videoqualität. MPEG-4 erreicht dies durch fortschrittliche Techniken wie die objektbasierte Kodierung, die eine effizientere Darstellung komplexer Szenen ermöglicht. Die Bandbreitenanforderungen von MPEG-4 sind geringer als die von MPEG-2, was ein flüssigeres Streaming ermöglicht. Allerdings kann MPEG-4 bei niedrigeren Bitraten einige Artefakte aufweisen, die die visuelle Qualität beeinträchtigen.

H.264 (Advanced Video Coding)

H.264, auch bekannt als AVC (Advanced Video Coding), ist ein sehr beliebter Videokomprimierungsstandard, der in Anwendungen wie Blu-ray-Discs, Internet-Streaming und Videokonferenzen weit verbreitet ist. Er bietet im Vergleich zu MPEG-4 erhebliche Verbesserungen bei der Komprimierungseffizienz, was zu kleineren Dateigrößen und geringeren Bandbreitenanforderungen führt. H.264 erreicht dies durch den Einsatz fortschrittlicher Techniken wie der Inter-Frame-Vorhersage und der Bewegungskompensation mit variabler Blockgröße. Diese Fortschritte machen H.264 zu einer ausgezeichneten Wahl für die Bereitstellung hochwertiger Videos. Die Kodierung und Dekodierung von H.264-Videos kann jedoch rechenintensiv sein und erfordert leistungsstarke Hardware für die Kodierung und Dekodierung in Echtzeit.

H.265 (High-Efficiency Video Coding)

H.265, auch bekannt als HEVC (High-Efficiency Video Coding), ist der Nachfolger von H.264 und bietet eine noch höhere Komprimierungseffizienz. Erreicht wird dies durch fortschrittliche Techniken wie größere Blockgrößen, verbesserte Bewegungskompensation und erweiterte Entropiekodierung. H.265 kann Videos mit etwa der Hälfte der Bitrate von H.264 übertragen, wobei die visuelle Qualität ähnlich bleibt. Aufgrund der geringeren Bandbreitenanforderungen ist H.265 für Anwendungen wie 4K- und 8K-Videostreaming von großem Vorteil. Allerdings erfordert die Kodierung und Dekodierung von H.265-Videos im Vergleich zu H.264 mehr Rechenleistung, was die Kompatibilität mit älteren Geräten oder Systemen einschränkt.

Hier sind einige typische Beispiele für Bitraten für FHD (1920×1280) Farbbilder mit 30 FPS:

  1. Unkomprimiertes Video
    Bitrate: 1920 x 1080 x 30 x 24 (Bits pro Pixel) = 186.624.000 Bits pro Sekunde (bps) oder 186,624 Mbps
    MJPEG
    2.1 Niedrige Qualität:  Bitrate: 10 – 20 Mbps (typischer Bereich). Beispiel: 15 Mbps
    2.2 Mittlere Qualität:  Bitrate: 20 – 40 Mbps (typischer Bereich). Beispiel: 30 Mbit/s
    2.3 Hohe Qualität: Bitrate: 40 – 80 Mbps (typischer Bereich). Beispiel: 60 Mbps
  2. MPEG-2
    Bitrate: 4 – 15 Mbps (typischer Bereich). Beispiel: 8 Mbps
  3. MPEG-4
    Bitrate: 1 – 5 Mbps (typischer Bereich). Beispiel: 3 Mbit/s
  4. H.264 (AVC)
    Bitrate: 0,5 – 10 Mbps (typischer Bereich). Beispiel: 5 Mbit/s
  5. H.265 (HEVC)
    Bitrate: 0,2 – 8 Mbit/s (typischer Bereich). Beispiel: 3 Mbps

Der MJPEG-Komprimierungsstandard ist der einzige Standard, der nur die Intra-Frame-Komprimierung verwendet, da er die einzelnen Frames unabhängig voneinander komprimiert. Daher konzentriert er sich mehr auf die Bildqualität als auf die Komprimierungsrate. Alle anderen Komprimierungsstandards verwenden sowohl Intra-Frame- (jedes Bild einzeln) als auch Inter-Frame-Algorithmen (Abfolge von Bildern) und können effizientere Komprimierungsraten erreichen. Die fehlenden Inter-Frame-Kompressionsalgorithmen von MJPEG machen es dagegen sehr beliebt, da es relativ wenig Rechenleistung für die Kodierung und Dekodierung benötigt.

Optimierung der Datenverarbeitung in Fahrzeug-IP-Netzwerken durch Auswahl des richtigen Ethernet-Standards und geeigneter Komprimierungstechniken

Eine effiziente Datenverarbeitung ist für optimale Leistung und Skalierbarkeit in Fahrzeug-IP-Netzwerken unerlässlich. Dabei spielt die Auswahl des geeigneten Ethernet-Standards eine entscheidende Rolle, um einen reibungslosen Betrieb und zukünftiges Wachstum zu gewährleisten.

Zwei primäre Ethernet-Standards, die oft in Betracht gezogen werden, sind Fast Ethernet mit 100 Mbit/s und Gigabit Ethernet mit 1000 Mbit/s. Fast Ethernet bietet niedrigere Kosten und moderate Geschwindigkeiten, während Gigabit Ethernet eine höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit und Skalierbarkeit für zukünftige Anforderungen bietet.

>> Erfahren Sie mehr: Fast Ethernet oder Gigabit Ethernet in ÖPNV-Netzwerken?

Um die Auswirkungen verschiedener Komprimierungstechniken auf den Netzwerkverkehr besser zu verstehen, haben wir eine Tabelle zusammengestellt. Diese zeigt den erwarteten Datenverkehr in Mbit/s für ein Netzwerksegment unter Berücksichtigung verschiedener Komprimierungen bei der Übertragung von Full HD-Farbbildern (1920×1280) mit 30 Bildern pro Sekunde.

Durch Berücksichtigung sowohl des Ethernet-Standards als auch der Komprimierungstechniken können Sie fundierte Entscheidungen treffen, um die Datenverarbeitung zu optimieren und einen effizienten Betrieb in Ihrem Fahrzeug-IP-Netzwerk sicherzustellen.

 

Anzahl verbundener Kameras
1 2 3 4 5 6 7 8
MJPEG L 15 30 45 60 75 90 105 120
MJPEG M 30 60 90 120 150 180 210 240
MJPEG H 60 120 180 240 300 360 420 480
MPEG-2 8 16 24 32 40 48 56 64
MPEG-4 3 6 9 12 15 18 21 24
H.264 5 10 15 20 25 30 35 40
H.265 3 6 9 12 15 18 21 24

Grün: Der Datenverkehr kann mit einem Fast Ethernet-Anschluss bewältigt werden.

 

Blau: Der Datenverkehr kann mit einem Gigabit Ethernet-Anschluss bewältigt werden.

 

 

Fazit: Effektive Komprimierungsstrategien für die Verwaltung von Videostreams in Fahrzeugnetzwerken

Die Optimierung der Datenverarbeitung ist in IP-Netzwerken von Fahrzeugen entscheidend, um eine optimale Leistung und Skalierbarkeit sicherzustellen. Die Auswahl des richtigen Ethernet-Standards, wie Fast Ethernet (100 Mbit/s) oder Gigabit Ethernet (1000 Mbit/s), basierend auf Kosten, Geschwindigkeit und zukünftigem Wachstum, spielt eine wichtige Rolle. Ebenso sind effektive Videokomprimierungsstrategien von großer Bedeutung, um digitale Videoinhalte effizient zu speichern, zu übertragen und wiederzugeben.

Die verschiedenen Komprimierungsstandards wie MJPEG, MPEG-2, MPEG-4, H.264 und H.265 bieten unterschiedliche Grade der Komprimierung, Dateigrößen und Bandbreitenanforderungen. Die Kenntnis dieser Unterschiede in den Bandbreitenanforderungen und den Vorzügen der einzelnen Standards ist wichtig für die Netzwerkoptimierung. Unkomprimiertes Video liefert die beste Qualität, erfordert jedoch eine hohe Bandbreite. Die Wahl eines geeigneten Komprimierungsstandards ermöglicht eine effiziente Datenverarbeitung, optimierte Netzwerkleistung und verbesserte Leistung in den IP-Netzwerken öffentlicher Verkehrsmittel.

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