Полезные возможности камер видеонаблюдения
Уже не один год на многих семинарах доводится информация о функциях камер, но вопросы все равно остаются. В этой статье мы повторим многие уже известные вещи с целью провести систематизацию знаний по тем возможностям, которые есть практически у всех современных средств слежения. Пояснения будут даваться упрощенно, но это не должно помешать пониманию работы указанных функций и специфики их применения.
Камеры «День-Ночь»
Вероятно, все знают, что использование монохромных и цветных камер имеет свои сильные и слабые стороны. Цветные, безусловно, информативнее, но при этом они менее чувствительны, потому их применение в условиях слабой освещенности ограничено. Почему так происходит? Основная причина – это наличие специального фильтра, который вырезает ИК диапазон.
Матрицы камер достаточно чувствительны к этому спектру, и это дает возможность прилично повысить чувствительность камер. По оценкам некоторых специалистов использование такого диапазона повысит чувствительность в 2-3 раза. Но при этом возникает и проблема: серьезные искажения темных цветов на картинке. В черно-белом варианте это никакого значения не имеет, а вот в цветном – принесет значительные неудобства.
Когда разработчики попытались сделать камеры, которые имели бы преимущества как монохромных, так и цветных, то они использовали два основных способа.
В первом варианте брали цветную камеру, в которой был установлен ИК-фильтр перед матрицей. Соответственно, в ней была правильная передача цветов, но низкая чувствительность. В камеру встраивался специальный механический узел, задачей которого было убрать этот фильтр в момент перехода в монохромный режим. Такие камеры обычно носят название «True Day/Night» (TND).
Во втором варианте бралась не слишком «правильная» камера, у которой ИК-фильтра практически не было. Точнее, фильтр есть, но его полоса вырезания отличается от необходимой для правильной цветопередачи. При смене режима на монохромный отключается только сигнал цветности, что незначительно повышает чувствительность камеры. Цена такого варианта гораздо ниже, как, впрочем, и качество – именно на таких камерах можно наблюдать искажения цветов.
Компенсация фокуса для инфракрасного диапазона
Очень часто камеры типа «День-Ночь» имеют ИК-подсветку. Это тоже нередко создает дополнительные проблемы. Суть в том, что обычно используют довольно
простые и дешевые объективы, не учитывая, что у них разное фокусное расстояние для видимого и ИК диапазонов, соответственно при ИК подсветке картинка будет размытой.
Во избежание этого эффекта можно механически вставить вместо фильтра стеклянную линзу, которая будет компенсировать фокусное расстояние или применять специальные объективы.
Работа с ИК подсветкой
Чтобы камера нормально меняла режим на монохромный, она должна знать, в какой момент это нужно сделать. Раньше для этой цели использовался сам сигнал от камеры, схема регулировки усиления выдавала определенный сигнал превышения порога и, соответственно, происходила смена режима. Что в такой ситуации будет с камерой «День-Ночь», которая имеет правильное отображение цветов и встроенную ИК подсветку?
Как только темнеет, камера меняет режим и убирает фильтр. Включается подсветка и прибор сам определяет, что сейчас «светло», соответственно опять меняет режим, восстанавливая фильтр. И так по кругу… Процесс происходит не слишком быстро, но такие качели будут.
Выходы находят разные: некоторые ставят специальный сенсор, который чувствителен только к видимой части спектра. Это позволяет избавиться от влияния ИК подсветки, соответственно, работа камеры будет намного стабильнее. Бывают и камеры с внешним переключением режима, тогда сигнал берут от ИК подсветки. Это решение интересно тем, что переключения камеры и подсветки будут синхронными.
Еще одна важная деталь, которая вызывает массу споров – это повышенная разрешающая способность камеры.
Во-первых, стоит отметить, что собственно точность измерения сейчас не очень высока. Одна из основных ошибок в том, что линия клина может попасть не только на пиксели, но и «между ними». Смещение матрицы или таблицы на пол пикселя в сторону вызовет довольно серьезную ошибку измерения, которая будет зависеть и от собственно таблицы, и от того, сколько линий в клине, и от еще массы факторов. В среднем ошибка измерений по типовой таблице считается достигающей 10%.
Во-вторых, сейчас методы обработки сигнала часто используют корректоры четкости картинки. Схемы этих корректоров могут быть абсолютно разными, сейчас они почти все цифровые, но в большинстве случаев эти корректоры увеличивают размах незначительных изменений сигнала, не меняя при этом его общую амплитуду и делая контрастнее некоторые слабоконтрастные участки. Крутизна фронтов в сигнале увеличится, соответственно вы увидите более четкую картинку.
Но нельзя забывать, что количество пикселей в матрице не меняется, а корректоры просто искажают сигнал таким образом, чтобы легче было рассмотреть все линии испытательного клина. Благодаря применению корректоров четкости иногда удается добиться впечатляющих результатов измерения разрешающей способности.
Не забывайте, что при включении корректора четкости вы повысите контраст всех мелких деталей, потому изображение может «рябить» и сильно утомлять глаза. Кроме того, в результате такая картинка будет гораздо хуже сжиматься в видеорегистраторах, что приведет к увеличению объема архивов.
Теперь можно перейти к другим функциям, которые доступны в последнее время благодаря тому, что используется процессор цифровой обработки сигналов.
Компенсация яркой засветки (HLC)
Стоит отметить, что эта функция может называться по-разному у разных производителей, что, впрочем, не меняет ее сути, но вполне может запутать покупателей.
Всем известно, что камеры отрабатывают уровень освещенности, модифицируя выдержку затвора или с помощью изменения диафрагмы объектива. Если в поле зрения видеокамеры попадают слишком яркие участки, то они серьезно повлияют на эту отработку, и настройки диафрагмы или затвора приведут к тому, что детали на темных участках станут неразличимыми. Если же эти яркие участки удается исключить из расчета средней яркости, то детали останутся различимыми даже в темных тонах. Этим, собственно, и занимается функция HLC. Она маскирует наиболее яркие участки, подменяя их на серый цвет. Полезность этой функции очевидна всем.
Но установив систему видеонаблюдения в холле со стеклянным входом нужно учесть, что при включении этой функции вы не увидите, что происходит на улице. Там, как правило, гораздо светлее, и соответственно засветка «глушится».
Еще одна проблема ожидает нас при попытке определять номер проезжающего автомобиля. Номер машины обычно имеет светоотражающее покрытие. ИК свет от подсветки отразится от номера, создав эффект яркой засветки, и номер успешно «заглушится» серым цветом. Впрочем, эта проблема решаема, и подсветка просто должна быть отнесена в сторону от камеры.
«Sense-Up» - режим повышенной чувствительности
Всем хочется, чтобы камера показывала изображение без подсветки и в полной темноте. Но это практически невозможно, поскольку сигнал настолько слаб, что теряется среди шумов и помех. Бороться с этим сложно, но возможно. Для этого проводится суммирование кадров, обычно до 500. В таком случае значение чувствительности камеры будет просто огромным. Теоретически в этом случае камера станет нормально «видеть» даже при свете звезд. Но появляется другая проблема: любой движущийся объект будет восприниматься, как некая помеха. В таком случае движущийся человек станет похож на привидение, став полупрозрачным. Машины тоже будут не видны, заметными останутся только следы их фар.
Такой режим, к сожалению, вообще не пригоден для наблюдения за движущимся объектом.
Компенсация затенения объектива
Очень часто объективы камер создают некоторое затемнение в углах изображения. Особенно это заметно в варифокальных объективах. Указанная функция занимается выравниванием средней яркости в затененных углах картинки.
Цифровая стабилизация картинки
Думаю, все видели рекламу видеокамер или фотоаппаратов, которые способны дать четкое изображение даже когда у снимающего дрожат руки. Рекламируется, обычно, оптическая стабилизация, при которой одна из линз или матрица сдвигаются, чтобы компенсировать перемещение камеры или фотоаппарата.
В отрасли видеонаблюдения подобное решение будет слишком дорогостоящим, поэтому используется цифровая стабилизация. Когда камера дрожит, изображение смещается в направлении, противоположном движению, причем это происходит в памяти самой камеры. Таким образом, исключается смещение картинки. Но для такого эффекта нужен некоторый запас по полю.
В результате при включении такой функции получим некоторую возможность ошибки при расчете угла обзора видеокамеры и некоторое ухудшение разрешающей способности, поскольку мы, по сути, используем в работе только центр изображения, который форсируется значительно меньшим числом пикселей.
Расширенный динамический диапазон
Вообще это не новая функция, хотя тонкостей в ней масса. Она даже называется по-разному у ведущих производителей.
Практически всем известно, что матрицам камер часто не хватает динамического диапазона, особенно это заметно в условиях наблюдения большого количества людей в зданиях, имеющих стеклянные входы. Из-за сильной засветки появляется неприятный эффект: светлое изображение неразличимо на наиболее ярких участках, а в тени практически невидимы силуэты людей.
Каким образом решается эта проблема? Функция компенсации засветки будет настраивать камеру на некоторую среднюю освещенность в самом центре кадра. Проблему это не решает, и человек, расположенный в центре кадра, будет виден отчетливо, а вот картинку улицы мы потеряем полностью. Здесь и пригодится рассматриваемая функция.
Чтобы ее реализовать, существуют специальные матрицы, которые называют матрицами с двойным сканированием. Идея состоит в том, что в течение одного полукадра будет сделано два снимка с разной выдержкой. В выходном сигнале эти изображения будут сложены, это и позволит лучше разглядеть детали на засвеченных или затемненных участках. Проблема только в том, что камеры с такими матрицами стоят примерно на 30% дороже.
Есть и другой вариант. В нем делаются два снимка обычной матрицей, но с разными выдержками. Скорость выдачи информации, естественно, упадет в 2 раза, примерно до 25 кадров в секунду. Но, в принципе, для большинства задач этого будет достаточно, однако в реальном времени иногда это будет выглядеть не совсем красиво. Зато и обойдется такое решение дешевле.
В современных же камерах, имеющих цифровую обработку сигнала, вводят гамма-коррекцию снимков, сделанных с разной выдержкой. Это, конечно, не расширит динамический диапазон, но значительно улучшит визуальное отображение картинки. К сожалению, такая коррекция пока есть далеко не во всех новых камерах.
Цифровое подавление шума
При недостаточной освещенности обычно получается очень зашумленное изображение, которое плохо поддается сжатию алгоритмами регистраторов.
Нет смысла пытаться описать все алгоритмы подавления шумов, поэтому попытаемся просто кратко рассказать про смысл 2D и 3D шумоподавителей.
В 2D подавлении шума проводится некоторая коррекция яркости соседних пикселей в одном кадре. Математические расчеты позволяют определить, где это изменение соответствует параметрам шумов, и, при необходимости, разница в яркости уменьшается.
3D расчет проводится не для одного, а сразу для нескольких кадров, идущих последовательно. Это позволяет точнее выделять шумы, поскольку они меняются во времени, и так их отследить гораздо легче. Это более современная и эффективная технология.
Если посмотреть на результат работы этих фильтров шума, то станет видно, что картинка действительно гораздо лучше смотрится. Впрочем, такая коррекция тоже вносит свои искажения, но они не так критичны.
Адаптивная ИК подсветка
Эта функция к цифровой обработке картинки напрямую не относится, но вполне достойна упоминания.
Как уже стало понятно, работа с одним источником подсветки практически никогда не бывает идеальной. Удаленные объекты получаются слабо подсвеченными, приближенные же, наоборот, засвечены. Адаптивная подсветка имеет хорошее свойство изменять свою мощность при необходимости, в зависимости от отражения. При приближении объекта наблюдения к камере будет уменьшаться мощность подсветки, и картинка останется четкой.
Правда, когда объект наблюдения близко, то увидеть что-то на расстоянии уже не получится. Да и алгоритм сопровождения сразу нескольких объектов пока не придуман. Так что для наблюдения за групповой «целью», расположенной на разных дистанциях, адаптивная подсветка не поможет.
