Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Формат 4К и H.265: преимущества для массовых объектов

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Формат 4К и H.265: преимущества для массовых объектов

Новый и в каком-то смысле долгожданный формат цифрового телевидения 4K наконец-то добрался до видеонаблюдения в интересах безопасности. Понемногу производители и вендоры предлагают IP-видеокамеры и регистраторы, работающие стаким изображением
Николай Чура
Технический консультант компании "Фирма "Видеоскан"

4К изначально пришел из цифрового кинематографа с тем же форматом, но разрешением 4096х2160 пкс. Для вещательного телевидения утвержден стандарт UHDTV1, или 4K UHDTV (3840х2160), и UHDTV2, или 8K UHDTV (7680х4320), с кадровыми частотами от 25 до 120 кадр/с. Как практически все предыдущие форматы, 4K (пока еще в "минимальном" варианте) быстро появился в видеонаблюдении. Безусловно, изображение с 4-кратной информативностью весьма востребовано в видеонаблюдении для целей безопасности. Рост содержательности обусловлен не только увеличением разрешения, но и 4-кратным ростом глубины цвета и динамического диапазона, что обеспечено переходом на 12-битное квантование. Предполагается, что изображение подобного качества особенно перспективно для наблюдения больших пространств, заполненных людьми, автомобилями или другими объектами. Особенно с учетом удлиненного кадра 16:9, который для типового наблюдения в проездах, коридорах или при периметральной охране может быть и избыточен по ширине.

Суммарное и удельное разрешение

Повсеместно встречающиеся утверждения о 4-кратном росте разрешения в 4К несколько преувеличены, поскольку оно нормируется по каждой координате и выросло относительно популярного сейчас формата FullHD ровно в 2 раза. Более того, для распознавания и идентификации объектов более важно удельное или погонное разрешение на единицу длины и высоты кадра. Особенно это актуально в современных условиях, когда форматы кадров могут быть различны, в частности в IP-системах, основанных на цифровых мультимедийных принципах.

В этом случае первый популярный формат HD 720p, несмотря на существенное увеличение полного горизонтального разрешения до 1280 пкс, или 800 ТВЛ относительно стандартного D1, по удельному разрешению увеличился всего лишь на четверть (около 25%), а не на 80%, как число пикселей. Визуально такое улучшение не очень заметно на глаз и не производит сильного впечатления. Единственное существенное отличие – это построчная или прогрессивная развертка, сразу снимающая проблему интерлейсинга.

Формат FullHD (1920x1080p) значительно сильнее очаровал потребителя своим практически 2-кратным ростом удельного разрешения по всем координатам (вертикаль/горизонталь). Переход же на формат 4К даст рост удельного разрешения относительно стандартного телевидения почти в 4 раза (3,67).

Проблемы и реальность

Естественно, подобные информационные объемы даже для нормальной или несколько повышенной частоты кадров (25–60) требуют серьезного увеличения вычислительных мощностей при сжатии, расширения каналов связи и увеличения объемов хранилищ. Крайне серьезен вопрос с вычислительными возможностями процессора, производящего сжатие потока. Многие, возможно, обращали внимание, что все мегапиксельные системы, начиная с HD и выше, особенно в средней ценовой категории и ниже, характеризуются некоторым торможением частоты кадров. Во всяком случае, по плавности передачи движения они заметно уступают традиционным телевизионным системам. Особенно при полностью чересстрочном видеотракте, где невозможен эффект интерлейсинга.

Системы ультравысокого разрешения 4K существуют сейчас только в IP-варианте. "Сильно мегапиксельные" IP-камеры не являются чем-то особенным для этих цифровых систем. Принципиально новым видится повышение частоты кадров, увеличение глубины цвета, повлекшее за собой применение более совершенного и эффективного алгоритма сжатия H.265 стандарта HEVC (High Efficiency Video Coding), разработанного специально для изображений большого формата с большей глубиной цвета. Примечательно, что пока широко предлагаются камеры формата 4K в основном с кодеком H.264, также как и регистраторы, в которых обязательно присутствует H.264 наряду с H.265. Причем диапазон (битность) квантования изображения тактично не упоминается. Уровень сжатия нового кодека в теории оценивается как 1000:1, или, в сравнении с H.264, по объему на 30–50% меньше. С реальной частотой кадров для разрешения 4K также пока не все гладко. Довольно много предлагаемых моделей пока могут обеспечить только 15–20 кадр/с. Можно надеяться, что это проблемы роста, и они со временем будут изжиты. Понятно, что все производители торопятся занять хорошее место в этом перспективном сегменте рынка.

Альтернативные методы передачи 4K

Можно было бы воспользоваться технологией передачи цифрового изображения 4K последовательным потоком без сжатия 6G UHD-SDI, используемого в профессиональном вещательном телевидении. Но учитывая довольно печальную судьбу HD-SDI для видеонаблюдения, видимо, надо оставить эти чудесные методы "большому телевидению".

Смелые обещания от менеджеров производителей аналогового HD-наблюдения также звучат. Но в аналоге весьма трудно даже представить себе эффективную передачу спектра видео хотя бы только яркости, без цвета, от 30 Гц до 130 мГц. А самое главное – как адекватно передать возможный 12-битный контраст? Ведь это динамический диапазон сигнала более 70 дБ. При такой полосе и в аналоге это очень затруднительно, особенно при довольно длинной линии передачи.

Эффект присутствия

На одном из первых представлений этого телевизионного формата была продемонстрирована передача открытия Олимпиады. По-видимому, это потрясающее восприятие как эстетический фактор, на который рассчитывают в телевидении и художественном кино, произвело сильное впечатление. К сожалению, и то, и другое направление преследует совершенно другие цели. В них важен эффект присутствия, погружение в виртуальную реальность, в котором используется качественное, почти окружающее зрителя изображение, рассчитанное в том числе и на периферийное (периферическое) зрение, характерное высокой чувствительностью восприятия черно-белого изображения и быстротой реакции на события. Для этого же служат и системы окружающего звука (5+1 и 7+1).

Масштабное наблюдение или распознавание?

Задача же видеоконтроля состоит в анализе деталей изображения в поле наиболее совершенного зрения. А это, скорее, изображение 4:3 как наиболее удобное для детального наблюдения и анализа. В этом смысле, как уже отмечалось выше, современный популярный формат 16:9 является несколько избыточным. Но привычное становится обязательным!

При использовании формата 4K как бы априори предполагается возможность хорошего распознавания и даже идентификации, несмотря на большие площади покрытия наблюдением. И в очередной раз, как в свое время с форматом FullHD, предполагается экономия числа камер в сравнении с меньшим разрешением. Этот аргумент всегда вызывал некоторое сомнение, поскольку глупо возвращаться к исчерпавшему себя низкому разрешению ради сокращения числа камер. Кроме того, увеличение поля зрения, как правило, требуется только по горизонтали, чтобы обеспечить некоторое панорамное видение широких пространств. В конечном итоге мы смотрим в основном сбоку, а не сверху.


По всей видимости, скоро будет предлагаться установить по одной камере 4K на каждую трибуну стадиона или по ходу движения для наблюдения традиционных массовых мероприятий. Для Москвы это, например, проспект Сахарова, Тверская улица или Бульварное кольцо с шириной около 60–80 м или типовой стадион 105х68 м (по стандарту FIFA). Даже ориентируясь на минимальные размеры 60 м, получаем, что на каждый элемент разрешения приходится по 1,6 см, или около 10 элементов на ширину лица человека. Учитывая, что камеры у нас цветные, а в них, как обычно, один элемент формируется четырьмя элементами (для CMOS – R_2G_B), по два из каждой строки, можно смело уменьшить это до 7 элементов на ширину лица. Но не будем жадными и оставим 10 элементов. На рисунке приведены условный оригинал с "практически недоступным" разрешением 450 пкс на ширину лица и тот же портрет с разрешением в 10 пкс на ширину лица с минимальным и максимальным сжатием. Понятно, что сжатие, как обычно, рождает обилие артефактов, особенно при недостаточном разрешении. Причем надо обратить внимание, что портреты – в самом удачном ракурсе, точно в анфас. Очевидно, что с полученным разрешением в 10 элементов на лицо идентификация по лицам будет весьма проблематична. А это значит, что без дополнительных камер с операторским наведением и узким углом зрения задача идентификации на массовых мероприятиях не может быть решена даже с камерами 4K. Или надо увеличить удельное разрешение (на единицу ширины/высоты кадра) в 3–4 раза. Можно увеличить в то же число раз количество этих же "суперкамер".

Вопросы освещения

Некоторые проблемы ожидают пользователей камер 4K и с точки зрения их чувствительности. С одной стороны, технологии CMOS уже ничуть не уступают CCD и по удельной чувствительности сравнялись и даже превысили Exview HAD II и Super HAD II. Но пиксель получается очень маленьким! Даже для формата, близкого к 1/2", это около 1,5–1,6 мкм. Чувствительность для сенсора 4K составляет около 240 мВ в лучшей технологии STARVIS Exmor R. Конечно, это много, но привычные камеры 960Н на CCD обеспечивают чувствительность на порядок выше. А поэтому усиление, шумоподавление, накопление и освещение! Что, естественно, значит снижение разрешения. Чудес-то не бывает. С сенсорами 1" меньше хлопот, но это значительные цены в принципе и всегда. Кстати, освещение больших пространств – задача, нелегкая даже на стационарных спортивных объектах.

Перспективы нового формата

Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что новые форматы 4K, а уж тем более 8K, открывают широкие перспективы для кардинального улучшения качества изображения. Особенно это может быть востребовано в обеспечении безопасности массовых мероприятий и больших общественных объектов. Но не надо, как обычно, ждать чудес, не стоит решительно сокращать количество камер и практически уничтожать высокое качество картинки. Потребуется приложить большие технические усилия и серьезные финансы, чтобы воспользоваться открывающимися возможностями новых форматов. К хорошему человек привыкает быстро, но сэкономить на этом не удастся.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #3, 2016
Посещений: 3709


  Автор
Чура Н.И.

Чура Н.И.

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

Всего статей:  57

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций