Возможности современных камер видеонаблюдения
Долгие годы идет рассказ о функционале современных камер видеонаблюдения, однако по-прежнему остаются тысячи вопросов, причем как у интеграторов, так и у самих заказчиков. В данной статье будут описаны функции практически любой современной камеры видеонаблюдения.
Режимы работы «День/Ночь».
Наверное, каждый знает, что существуют недостатки, как у цветных, так и у монохромных камер видеонаблюдения. Не для кого не секрет что цветные камеры гораздо более информативны, однако обладают меньшей светочувствительностью в отличии от монохромных. Данный факт ограничивает их возможности при недостаточном освещении. Тот факт, что над пикселями цветных камер установлены цветные фильтры усугубляет положение, однако главная причина кроется не в этом. Основная причина пониженной светочувствительности – это вырезанный с помощью фильтра ИК диапазон.
Матрицы камер способны воспринимать ИК излучение, поэтому отсутствие фильтра дает существенную прибавку к светочувствительности. Если верить словам специалистов в этой области, то использование ИК диапазона увеличивает светочувствительность в 2, а то и в 3 раза. Однако есть и обратная сторона – сильное искажение темных цветов на изображении. При монохромном видеонаблюдении это абсолютно не имеет значения, однако цветную картинку этот факт существенно портит. Очень часто на выставках выставляют огромное количество разнообразных камер видеонаблюдения. Не трудно заметить, что некоторые камеры отлично передают цвета, а другие их сильно искажают. Например, черный костюм выглядит фиолетовым, а черные ботинки из замши отдают зеленоватым цветом. Объяснить это можно тем, что камера при дневном наблюдении в цветном режиме не оснащена ИК фильтром, который бы отсекал ИК излучение или оснащена таким фильтром который отсекает ИК излучение не полностью. По причине отсутствия ИК фильтра цвета искажаются, при этом стоит отметить, что чувствительность такой камеры при ночном монохромном видеонаблюдении будет очень высокой.
Камера передающая естественный черный цвет оснащена ИК фильтром, который устанавливается перед матрицей и выравнивает цвета, однако очень сильно понижает светочувствительность. Если встроить в эту камеру механизм способный отодвигать ИК фильтр от матрицы то можно добиться отличной картинки, как днем, так и в ночное время. Конструкция позволяющая сдвигать или убирать ИК фильтр может быть абсолютно разной. Камеры, в которых используется данный механизм, называют по-разному – TDN (True Day/Night) или другое обозначение ICR (Infrared Cut Filter Removable) сдвигаемый вырезающий ИК фильтр.
Большинство более дешевых камер не оснащены сдвигаемым ИК фильтром, и при переходе в монохромный режим выключается лишь сигнал цветности. Фильтр в таких камерах либо полностью отсутствует, либо он есть, но его полоса режекции(исключения) не совпадает с необходимой полосой для правильной цветопередачи. Данное решение позволяет добиться не очень существенного повышения чувствительности, обычно до 50%. Именно такие камеры искажают цвета и способны показывать цветное изображение при включенной ИК подсветке.
Фокусировка для ИК диапазона.
Большинство камер видеонаблюдения с функцией «День/Ночь» оснащены ИК подсветкой. Данное решение может создать некие проблемы. На большинство бюджетных камер видеонаблюдения устанавливаются недорогие и простые объективы. Такие объективы имеют различные фокусные расстояния для видимого света и ИК диапазона, поэтому при включенной ИК подсветке изображение может оказаться размытым.
Чтобы избежать столь неприятный эффект, вместо сдвигаемого ИК фильтра можно автоматически устанавливать специальную линзу, компенсирующую фокусное расстояние. Можно так же использовать специализированные объективы, однако данное решение не совсем экономически целесообразно. Такие объективы имеют одинаковое фокусное расстояние для ИК и для видимого диапазонов.
Управление ИК подсветкой.
Для того чтобы камера видеонаблюдения могла переключиться в черно-белый режим, ей необходимо знать когда это необходимо сделать. Не так давно для реализации данной функции применялась схема работы самой камеры видеонаблюдения, а именно автоматическая регулировка усиления (АРУ) при превышении определенного значения максимального усиления переключала устройство в монохромный режим. Однако для «правильной» камеры с режимом «день/ночь» и встроенной инфракрасной подсветки данное схемное решение не подойдет.
Объяснение этому очень простое, при наступлении темноты поступает команда на сдвигание ИК фильтра и включение ИК подсветки. Как только это происходит, камера видеонаблюдения вновь определяет что «светло» и обратно сдвигает ИК фильтр. Процесс этот не такой уж и быстрый и существуют некие специальные реализации задержек для обеспечения плавности перехода режимов. При этом может произойти и зависание камеры в одном из режимов работы. Для того чтобы избежать подобной ситуации многие производители разработали несколько разнообразных решений. Некоторые устанавливают отдельный чувствительный элемент способный работать только с видимым светом, исключая ИК диапазон, существуют и решения с внешним переключением. В данной ситуации переключение производилось от ИК прожектора, в некоторых из них формируется такой сигнал и его вполне можно использовать. Второе решение гораздо предпочтительнее, поскольку позволяет синхронизировать переключение режимов, как камеры видеонаблюдения, так и ИК подсветки.
Разрешение камер.
Еще одной спорной вещью можно назвать повышенную разрешающую способность современных камер видеонаблюдения. Сомнения вызывает даже сама точность измерения данной величины. Одна основная ошибка данного измерения заключается в попадании клина аналоговых линий, как на цифровые пиксели, так и между ними. Смещение матрицы на половину пикселя в ту или иную сторону могут весьма серьезно отразиться на ошибке измерения, которая в свою очередь зависит от множества факторов, таких как количество аналоговых линий в клине и т. д. Среднюю ошибку измерений можно оценить в десять процентов, однако эта величина может принимать гораздо большие значения поскольку ошибка зависит от испытательной таблицы и количества линий в клине.
Современные цифровые методы обработки сигнала, используют методы позволяющие производить корректировку четкости изображения. Реализация данных решений может быть абсолютно разной, однако, в настоящее время все эти реализации цифровые. Большинство таких корректоров увеличивают размах малых изменений сигнала, при этом общая амплитуда сигнала не изменяется, а повышается контрастность слабоконтрастных участков. Крутизна фронтов сигнала увеличивается, что дает более четкую картинку. Большинство людей пользуются данным методом в графических редакторах при корректировке изображений.
При этом стоит понимать, что общее количество пикселей на матрице корректоры на изменяют, при этом они просто искажают сигнал так, чтобы проще было рассмотреть линии клина. Применение данных корректоров четкости (sharp «шарпинг») удается добиться результатов на матрицах с высоким разрешением до 580-600ТВЛ.
При включении «шарпинга» увеличивается уровень усиления слабых сигналов и повышается контраст мелких деталей, при этом на картинке появляется характерная рябь, которая вызывает сильное утомление глаз. При этом степень сжатия таких видеоизображений гораздо хуже, что негативно повлияет на объемы архивной информации. Стоит быть очень аккуратным при использовании данных функций.
HLC – High Light Compensation (Компенсация яркой засветки).
Данная функция иногда называется еще и другими названиями в зависимости от производителя, например Eclipse. Данный факт не меняет сути, однако вносит некоторое неудобство и путаницу.
Ни для кого не секрет что камера видеонаблюдения работает напрямую со светом и способна изменять выдержку электронного затвора, а так же значения диафрагмы. Если же в поле зрения объектива камеры попадает очень яркий объект камера, пытаясь регулировать поток света попадающего на матрицу, сильно затеняет темные участки. Различить их становится невозможно. Если камера отключит расчет ярких участков при определении средней яркости изображения, то темные участки будут гораздо лучше различимы. Именно для этого и создана компенсация яркой засветки, которая просто закрывает серыми цветками пересвеченные участки сцены.
Как правило, для демонстрации данной функции производители демонстрируют отчетливое изображение автомобильного номерного знака при включенных ярких встречных фарах. Однако данная функция имеет и обратную сторону. Ни для кого не секрет что автомобильные номера покрывают специальной светоотражающей краской, которая возвращает световой поток ровно под тем же углом, под которым он падает. При этом если камера оснащена довольно сильной ИК подсветкой излучение, отразившись от номера, попадет на камеру. Вследствие этого изображение номера будет пересвеченным и включится компенсация засветки, закрыв номер серой маской. Для исключения данного неприятного факта следует устанавливать ИК подсветку отдельно от камеры, чтобы угол падения был разным. Используя данную функцию, стоит быть весьма осторожными.
Режим повышенной чувствительности (Sense-Up).
Наверно каждому специалисту видеонаблюдения хотелось бы, что бы камера работала в условиях полной темноты и абсолютно без инфракрасной подсветки. Но, к сожалению, это не получается поскольку сигнал становится очень слабым и его абсолютно невозможно рассмотреть из-за сильнейших шумов. Борьба с шумами довольно сложная задача, поскольку требует очень сильных математических алгоритмов и как следствие вычислительных расчетов. Но есть другой способ - суммирование кадров. Именно на этом и основана функция Sense-Up, суммирующая до пятисот кадров. Чувствительность подобных камер будет очень высокой, а работать она сможет даже при свете звезд. Основан этот метод на том, что отраженные от объектов волны отличаются не значительно, поэтому их можно суммировать по амплитуде, растущей в количество суммирований раз. Шум ведет себя по другому, он имеет случайный характер и не постоянно меняется во времени. В данной ситуации суммирование производится по мощности, которая обратно пропорциональна напряжению в квадрате. Таким образом, амплитуда растет в квадратный корень от числа суммирований.
Использование данной технологии суммирования применимо лишь к статичным плавно меняющимся изображениям, поскольку любое быстрое движение в кадре будет рассматриваться как шум, в связи с чем будут появляться лишь призрачные силуэты объектов. Эффект это похож на съемку ночью при большой выдержке. Если число полей для суммирования довольно высоко, то можно вообще не увидеть движущийся объект.
LSC - Lens Shadow Compensation (Режим компенсации затенения объектива)
Довольно часто объективы камер видеонаблюдения создают затенения по углам. Чаще всего данный неприятный эффект можно увидеть на варифокальных объективах при максимальном угле обзора. Система компенсации затенения, обеспечивает выравнивание средней яркости изображения по углам. Если камера направлена на такую область где яркость по углам должна быть занижена, следует отключить данную функцию.
DIS – Digital Image Stabilization (Цифровая стабилизация изображения)
Наверное, многие видели рекламные ролики бытовых фотоаппаратов и видеокамер с системой цифровой стабилизации. С данной системе стабилизация производится путем движения объектива или самой матрицы при перемещении фотоаппарата.
В отрасли видеонаблюдения данное решение будет нецелесообразным, поэтому в видеонаблюдении используется цифровая стабилизация. Данная функция обеспечивает смещение изображения при дрожании камеры, в противоположенную сторону, что позволяет исключить смещение между полями.
Для работы данной функции необходим запас по размерам для исключения черных полос по краям изображения. При работе функции используется среднее изображение, а резервные поля обеспечивают возможность перемещения изображения в памяти камеры.
При всех своих плюсах система имеет и минусы. Обрезание разрешения за счет меньшего числа пикселей и масштабирования, а так же ошибка при расчете угла обзора.
WDR – Wide Dynamic Range (Расширенный динамический диапазон)
Данную функцию сложно назвать новинкой, однако хитростей в ней очень много. Гиганты производители даже называют данную опцию разными названиями. Даже новичок в системах видеонаблюдения осведомлен что матрицы камер видеонаблюдения не оснащены достаточным динамическим диапазоном когда дело доходит до наблюдения за людьми в аэропортах, крупных офисах и других помещения со стеклянным дверьми. Происходит это примерно так: естественное внешнее освещение создает сильнейшую засветку, при этом затвор и диафрагма объектива обеспечивают средние значения, в связи с чем в области пересвета различить что либо просто невозможно, та же ситуация происходит в области тени где изображение слишком затемнено.
В действительности матрицы современных устройств не оснащены достаточным объемом. При малом количестве света, не хватает зарядов, при большом количестве освещения заряды переливаются через края потенциальной ямы в дренаж.
Для решения данной проблемы казалось бы существует функция BLC (компенсация встречной засветки) которая позволяет настроить камеру видеонаблюдения на усредненную освещенность в центре изображения. При этом объект в центре кадра будет выглядеть довольно хорошо, а края изображения будут утеряны. Для обеспечения качественного ровного изображения используется система расширенного динамического диапазона.
Для реализации данной функции были созданы специальные матрицы, которые получили название матрицы двойного сканирования или двойной плотности. Весь принцип основа на том чтобы в течении построения одного полукадра запечатлеть сразу два изображения, одно с короткой и одно в длинной выдержкой. После чего происходит наложение полученных изображений и более качественное отображение пересвеченных и темных областей кадра. Данное решение обеспечивает прекрасное качество, однако стоимость матрицы возрастает более чем на тридцать процентов.
Для удешевления технологии была предложена электронная версия данного решения. Стандартные камеры делают два снимка, что увеличивает скорость вывода в два раза. Потери довольно существенные, для записи материала это приемлемо, а вот просмотр в реальном времени будет затруднен. Поэтому даже дорогой метод имеет свои минусы.
Новейшие камеры оснащенные процессором цифровой обработки сигнала позволяют вводить предварительную гамма коррекцию для изображений с различной выдержкой. Увеличить динамический диапазон данная технология не позволяет, зато существенно улучшается восприятие. Новшество поддерживается единицами самых современных камер.
DNR – Digital Noise Reduction (Цифровое подавление шумов)
Современные матрицы позволяют вести эффективное видеонаблюдение, даже в условиях недостаточного освещения. При этом существует существенная зашумленность изображения. Помимо тяжелого восприятия данной видеоинформации оператором системы видеонаблюдения, существует еще и другой серьезный недостаток шумов – это плохое сжатие подобной видеоинформации. Данный факт очень негативно влияет на размер видеоархива.
Алгоритмы подавления шумов очень сложны и требуют серьезных математических алгоритмов. Для того что бы полностью описать их необходима целая книга. В настоящее время существует несколько технологий шумоподавления.
Принцип работы 2D шумоподавления основан на коррекции яркости отдельных пикселей в одном кадре. Сложнейшие экономические алгоритмы позволяют определить насколько изменение яркости соответствует параметру шума. Если зашумленность велика, необходимо уменьшить разницу яркости на значение рассчитанное математическими алгоритмами.
При работе системы 3D шумоподавления, анализируется не один а сразу ряд кадров, что позволяет более точно определить уровень шума. Шумы изменяются во времени, поэтому анализ нескольких кадров дает возможность легче отследить шумы. Данная технология считается более предпочтительной и позволяет эффективнее бороться с шумами.
Результат работы современных цифровых фильтров шумоподавления действительно впечатляет и позволяет привести изображение к гораздо более легкому восприятию. При этом сжатие информации становится значительно эффективнее.
www.AmperSecurity.ru
