Aktueller Stand von Standards und Normen in der Videoüberwachung in Analog- und IP-Technologie

Bachelorarbeit von Sebastian Welzbacher

Einleitung:

Im Jahr 2008 wurde in Deutschland durchschnittlich alle zwei Minuten eingebrochen, sowohl in gewerblichen als auch in privaten Objekten. Mehr als ein Drittel dieser Einbruchversuche scheiterten jedoch an vorhandener Sicherheitstechnik. Auch die Videoüberwachung trägt durch die Abschreckung möglicher Täter und die nachträgliche Aufklärung von Straftaten zur Sicherheit bei. Hierzu bedarf es allerdings einer gründlichen Planung und fachgerechten Zusammenstellung des Videoüberwachungssystems, wie auch das Beispiel von Landolt zeigt: Ein unbekannter bewaffneter Mann dringt in die Hirslanden-Klinik in der Schweiz ein, um die Herausgabe von Morphium zu erzwingen. Trotz vorhandenem und in Betrieb befindlichem Videoüberwachungssystem existieren keine brauchbaren Bilder für die Fahndung. In diesem Fall waren wahrscheinlich die folgenden Gründe ausschlaggebend für den Misserfolg: Zum einen wurden teilweise Kameraattrappen eingesetzt, die nur zur Abschreckung dienen. Zum anderen waren die funktionierenden Kameras veraltet und lieferten qualitativ schlechtes Bildmaterial mit zu niedriger Auflösung für eine Identifikation des Täters. Zudem wurden die Bilder nur live übertragen, jedoch nicht gespeichert. Somit fehlt der Polizei eine realistische Chance auf einen Fahndungserfolg.

So stellt auch Niecke in seinem Artikel fest, dass zunächst die örtlichen Gegebenheiten sowie der Bedarf festgestellt werden müssen. Denn erst durch die richtige Planung kann der gewünschte Effekt erzielt und eine Erhöhung der Sicherheit erreicht werden. Die eingesetzten Komponenten müssen auf die Anforderungen der Überwachungsaufgabe abgestimmt sein: ‘Die Überwachung und Verfolgung von Objekten mit einer Kamera ist bei Tag eine einfache Sache. Aber bei Nacht könnten wir nichts mit unseren Tageslichtkameras sehen.’ Dieser Problemstellung widmet sich die vorliegende Bachelor-Thesis, wie anschließend in Kapitel 2 noch ausführlicher erläutert wird.

Textprobe:

Kapitel 4.5, Videodatenkompression:

4.5.1, Übersicht und Beschreibung der Videodatenkompressionen:

Bei allen Vorteilen bringt die Digitaltechnologie in der Videoüberwachung aber auch eine nicht zu vernachlässigende Schwierigkeit mit sich: Die extrem hohe Menge an Daten, die gehandhabt werden muss. Ein einfaches Rechenbeispiel aus dem Artikel von Kräußlich führt dies deutlich vor Augen: Bei farbigen Bildern schlagen die Farb- und Helligkeitsinformationen mit je 24 Bit (entspricht 3 Byte) pro Bildpunkt zu Buche. Bei einer VGA-Auflösung mit 640 x 480 = 307 200 Bildpunkten sind dies 921 600 Byte pro Einzelbild. Ergibt bei einer Bildwiederholrate von 25 Bildern pro Sekunde, um eine flüssige Videoübertragung zu erhalten, eine Datenlast von ca. 23 Megabyte pro Sekunde. Folglich wären für eine Stunde Aufzeichnung schon knapp 83 Gigabyte an Bildmaterial zu speichern, was bereits mehrere DVDs füllen würde. Bei höheren Auflösungen, z.B. im Megapixel-Bereich, und mehreren Kameras vervielfacht sich das Ganze noch entsprechend.

Um also die Belastung von Übertragungsweg und Speichersystem möglichst gering zu halten ist eine Komprimierung der gewonnenen Bilddaten notwendig. Es werden die folgenden gängigen Verfahren beleuchtet: M-JPEG, MPEG-2 / H.262, MPEG-4, H.264 sowie Beispiele für spezielle Videokompressionsverfahren in der Videoüberwachungstechnik.

M-JPEG:

M-JPEG (Motion-JPEG) basiert, wie der Name bereits vermuten lässt, auf dem JPEG-Kompressionsverfahren für digitale Einzelbilder. Wie von Kräußlich beschrieben, werden hierbei nicht alle einzelnen Bildpunkte getrennt betrachtet. Stattdessen werden solche, die neben einander liegen und ähnliche oder gleiche Farbwerte aufweisen in Blöcken zusammengefasst. Da die meisten Bilder solche gleichmäßigen Farbflächen enthalten, kann so beispielsweise bei mittlerer gewählter Kompressionsstärke die Datenmenge um den Faktor 30 reduziert werden.

Beim M-JPEG-Verfahren werden alle Einzelbilder separat mittels JPEG komprimiert und aneinandergereiht. Dabei weist das Bildmaterial, eine nicht allzu extreme Kompressionsstärke vorausgesetzt, noch eine relativ gute Qualität im Verhältnis zum unkomprimierten Bild auf.

MPEG-2 / H.262:

MPEG ist sowohl die Abkürzung für die Motion Pictures Experts Group, einem ISO- Gremium für Audio- und Videonormen, als auch Bezeichnung für die von diesem entwickelten Kompressionsverfahren. Wie Kräußlich schreibt, basiert der 1994 entwickelte Standard MPEG-2 auf folgender Methode: Im Gegensatz zu M-JPEG wird hier nicht jedes Einzelbild komplett übertragen oder gespeichert, sondern nur die sich im Vergleich zum vorhergehenden Bild geänderten Teile. Somit wird umso weniger Bandbreite und/oder Speicherplatz benötigt, je weniger Bewegung im überwachten Bereich stattfindet. Daher sind eher unruhige Hintergründe, wie vom Wind bewegte Pflanzen oder passierende Fahrzeuge ungünstig für dieses Kompressionsverfahren. Der von der ITU entwickelte Standard H.262 ist nach Strutz mit MPEG-2 identisch.

MPEG-4:

MPEG-4, so Kräußlich, ist der direkte Nachfolger von MPEG-2, da MPEG-3 aufgegeben wurde. Ziel waren qualitativ gute Ergebnisse bei, im Hinblick auf die Bandbreite des zu dieser Zeit üblichen ISDN, Datenraten unter 64 kBit pro Sekunde. Bei MPEG-4 ‘[…] wird das Bild in statische und bewegte Elemente sowie räumliche Ebenen aufgelöst. Die Objekte werden auf getrennten Kanälen digital verarbeitet und zeitgleich komprimiert’. Es ergibt sich eine deutlich höheren Kompressionsrate als bei MPEG-2.

Jedoch ist MPEG-4 nach Strutz weit mehr als nur ein Kompressionsverfahren. Alle Möglichkeiten der Digitaltechnologie werden ausgeschöpft, wobei im Gegensatz zu den statischen Bilddaten in MPEG-2 hier alle enthaltenen Informationen dynamisch gestaltet werden können, beispielsweise die Kombination und Mitcodierung des Videomaterials zusammen mit Text oder grafischen Elementen.

Wie bei Kräußlich erwähnt, existieren jedoch verschiedene sogenannte Profile für MPEG-4 in Abhängigkeit vom Codec (Encoder/Decoder, ein Software-Element zur Kompression und Dekompression der Daten). Diese können unterschiedliche Kompressionsstärken und Qualitätsstufen bieten.