Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Разрешение и качество изображения в видеорегистрации

В рубрику "Видеорегистрация (DVR)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Разрешение и качество изображения в видеорегистрации

Безусловно, основополагающим параметром систем видеонаблюдения является качество изображения. Эта несколько отвлеченная характеристика определяется прежде всего разрешением и контрастом изображений (то есть передаваемым диапазоном градаций яркости). Для цветного изображения, в котором контраст изображения дополнительно обеспечивается цветовой составляющей, важна более или менее адекватная цветопередача. На качество изображения влияют все звенья тракта, и потери в наихудшем звене разрешения, динамического диапазона или цветопередачи практически не могут быть восстановлены в дальнейшем
Н.И. Чура
Технический консультант
ООО "Микровидео Группа"

Характеристики качества изображения и их взаимосвязь

В настоящее время системы видеонаблюдения без устройств регистрации используются крайне редко. Более того, широко распространенные системы практически упростились до трехзвенной структуры – это камеры, многоканальный регистратор и монитор. Причем при отсутствии необходимости оперативного наблюдения или поддержке сети монитор может и отсутствовать. Современные многоканальные цифровые регистраторы основаны на одновременной работе многоканального мультиплексора, устройства цифровой обработки, сжатия и записи изображения на жесткий диск. Качество записанного изображения определяется разрешением оцифровки, алгоритмом и эффективностью сжатия. В свою очередь, качество изображения, а также суммарная частота кадров записи определяют информативность всей системы. Естественно, максимальное разрешение и частота кадров являются величинами обратно взаимозависимыми.

Влияние режима записи

Объем требуемого архива также напрямую зависит от разрешения и сжатия изображения, частоты кадров и интервалов записи. Поэтому все цифровые регистраторы имеют режим записи по внешним датчикам тревоги или внутренним датчикам активности в изображении (кадре) канала. Часто датчик активности не совсем справедливо называют детектором движения. На самом деле, внутренние датчики "движения" типовых регистраторов распознают только изменение яркости изображения в выделенных зонах кадра каждого канала. Подлинный детектор движения должен распознавать по крайней мере скорость и направление движения объектов в кадре. Подобные системы встречаются в более сложных специализированных комплексах.

Цифровая запись и ее разрешение

Оцифровка стандартного аналогового телевизионного сигнала (SDTV) производится в соответствии со стандартом ITU-BT 601-656. В частности, для стандарта изображения PAL/CCIR с чересстрочной разверткой на 625 строк с частотой 50 Гц предполагается 2 формата изображения – 4:3 с разрешением 720х576 пкс (D1) и более редкий 16:9 с разрешением 960х576 пкс. Яркостная и цветовая информация для экономии объема и с учетом особенностей зрения представляется в формате 4:2:2 (YCrCb), где максимальное разрешение обеспечивается только для сигнала яркости Y. Цветоразностные составляющие Cr и Cb имеют вдвое меньшее разрешение, а следовательно, вполовину меньшую ширину спектра. Уровень сигнала изначально кодировался 8-битным кодом, что обеспечивало 256 уровней. В последнее время все чаще используется 9- и 10-битное квантование (до 1024 уровней). В регистраторах встречается также матрица оцифровки 704х576 пкс (4CIF). Правда, для практики это не имеет существенного значения, поскольку при стандартной частоте оцифровки 13,5 МГц матрица делается несколько шире, чтобы строка уместилась "с запасом" (для D1 время строки 52,33 мкс, для 4CIF – 52,148 мкс). Потому и в том, и в другом случае используется лишь 702 активных пикселя.

Предполагается, что выделение сигналов цветности и яркости перед оцифровкой происходит достаточно корректно, то есть без потери разрешения яркостной составляющей. В этом случае можно ожидать от типового регистратора разрешения около 702 х 0,74 = 520 ТВЛ (0,74 – коэффициент Келла). Это значение достаточно хорошо согласуется с практическими результатами. На фото 1 слева приведен стоп-кадр фрагмента изображения таблицы, записанного при максимальном разрешении и минимальном сжатии, то есть максимальном качестве изображения для регистратора подобного класса.


Справа представлено аналогичное изображение при минимальном разрешении и максимальном сжатии. Источником изображения служила цветная телекамера с матрицей 960H и DSP Effio Sony, обеспечивающая разрешение 600 ТВЛ в цвете. Для записи использовался 1 канал 8-канального регистратора с алгоритмом сжатия MPEG-4. На первом изображении видно, что обеспечивается горизонтальное разрешение, достаточно близкое к расчетному значению, – около 500 ТВЛ. На втором снимке изображение совершенно не удовлетворительное, с результирующим разрешением менее 200 ТВЛ. Отчетливо видны цветные артефакты вокруг цифр. Подобное изображение, несмотря на минимальный занимаемый объем, может быть пригодно лишь для грубого обнаружения достаточно крупных объектов.

Разрешение и интерлесинг

Как правило, в регистраторах имеется возможность выбора трех значений разрешения: 720 (704)х576, 720 (704)х288 и 360 (352)х288 пкс. В этом случае естественно ожидать последовательного ухудшения разрешения. На фото 2 приведены три стоп-кадра изображения для различных вышеприведенных разрешений и минимального сжатия.


Примечательно, что малое отличие горизонтального разрешения между третьим и четвертым снимками подтверждает эффективность использования обоих полукадров. К сожалению, этому существенно препятствует эффект интерлесинга, возникающий на мониторах с прогрессивной разверткой при движущихся объектах. Это обусловлено сложением двух полукадров, полученных с временной задержкой в 20 мс. В свою очередь, между центральным и правым изображениями отчетливо заметна идентичность сниженного полукадрового вертикального разрешения.

Программные способы компенсации интерле-синга, как правило, малоэффективны и всегда приводят к снижению разрешения. Для принципиального устранения интерлесинга есть только два пути:

  1. Использование для наблюдения монитора телевизионного типа с чересстрочной разверткой. Для сохранения максимального разрешения необходимо использовать устройства с входом S-Video (до 450 ТВЛ) либо с композитным входом и гребенчатым фильтром (до 500–600 ТВЛ). Последние модели используются в медицине или промышленности и крайне дороги. Более того, современные и популярные LCD-мо-ниторы принципиально построены по прогрессивному принципу, то есть на них кадр выводится целиком, без последовательного разворачивания. Естественный интерлесинг от чересстрочного сигнала с видеовхода подавляется программно и, как уже отмечалось выше, не всегда эффективно.
  2. Переход на прогрессивную развертку всего тракта (включая телекамеру), что практически невозможно в CCTV, основанном на телевизионных стандартах. Такое решение применяется в HDcctv и IP-видеонаблюдении.

Необходимо отметить, что повсеместный переход на прогрессивную развертку в связи с широким развитием IP и продвижением HDcctv c возможной заменой им типового CCTV приведет к необходимости поднятия частоты вывода кадров до 50 и более в секунду. Это обусловлено заметным мерцанием экрана и утомляемостью зрения от низкой частоты смены кадров (25–30 кадр/с). В кино с этим борются дополнительным прерыванием светового потока, а в стандартном телевидении – чересстрочной разверткой с частотой 50–60 полукадров в секунду.

Новые перспективы улучшения разрешения с Effio 960H

Недавнее появление нового формата CCD 4:3 от Sony c 960 пкс по горизонтали принципиально могло бы стать вторым дыханием CCTV. Типовое горизонтальное разрешение CCTV, определяемое стандартными матрицами 752х582 (PAL) и 768х484 пкс (NTSC), составляющее для цветного изображения около 450 и 460 ТВЛ соответственно, уже перестает удовлетворять потребителя. В вещательном телевидении на смену SD пришло цифровое HDTV с разрешением 800 и 1300 ТВЛ. Правда, это обеспечивается на широком кадре 16:9. Расширяется использование мегапиксельных изображений в IP-системах, а теперь уже и в HDcctv, являющемся клоном вещательного HDTV в индустрии видеонаблюдения.

Примечательно, что матрица 960H не имеет никакого отношения к упоминавшемуся выше широкоэкранному формату 960х576 с отношением сторон 16:9, имеющему погонное разрешение, аналогичное стандартному. В свою очередь, вариант Effio 960H можно рассматривать как телевидение с горизонтальным разрешением, аналогичным HD (1280х720), только с форматом 4:3. Для полновесного использования его возможностей как телевидения высокого разрешения, но в стандартном формате кадра необходимо обеспечить неискаженную запись этого сигнала с увеличенной шириной спектра. Для этого необходима оцифровка с повышенной частотой дискретизации (около 18 МГц) и немного большие (на 30%) объемы архива.


Производство подобных видеорегистраторов могло бы вдохнуть вторую жизнь в системы CCTV. Но даже для существующей техники видеозаписи применение телекамер с матрицами и DSP Effio 960H Sony имеет большой смысл, поскольку в этом случае результирующее разрешение изображения практически равно разрешению регистратора, а не телекамеры. Это отчетливо видно на стоп-кадрах фрагментов изображения измерительной таблицы, сделанных с помощью камер с матрицами 960H и 752H, приведенных на фото 3. Первое изображение демонстрирует разрешение около 500 ТВЛ, второе – около 400 ТВЛ. Так влияет регистратор на исходное разрешение телекамер.

Достижение качественного изображения

В заключение можно сделать вывод, что при выборе режима записи надо крайне осторожно применять большое сжатие и снижение разрешения записи для экономии архива. Это может привести к неустранимым артефактам на изображении и снижению его разрешения до такой степени, что записанная информация будет практически бесполезна. В любом случае для экономии архива лучше активнее использовать пониженную частоту кадров и запись по детектору. Рост объемов жестких дисков и снижение цен на них позволяют увеличить объемы архива, сделав их сменными. Это позволит получать качественную видеоинформацию не только при прямом наблюдении, но и в записи.

Опубликовано: Каталог "Системы цифровой видеорегистрации (DVR)" #1, 2011
Посещений: 9624


  Автор
Чура Н.И.

Чура Н.И.

Технический консультант ООО "Система СБ" и ООО "Микровидео /Группа".

Всего статей:  57

В рубрику "Видеорегистрация (DVR)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций