Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Мегапиксельная видеоаналитика для сложных условий наблюдения

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

Мегапиксельная видеоаналитика
для сложных условий наблюдения

Поддержка режимов высокой четкости (HD) считается сегодня главной движущей силой рынка видеонаблюдения, увеличивающей долю сетевых камер (IP) и уменьшающей долю аналоговых камер стандартной четкости (SD). Действительно, при благоприятных условиях наблюдения сенсор HD улучшает детализацию изображения, что повышает точность распознавания и дальность действия системы видеомониторинга. С другой стороны, камеры HD часто уступают камерам SD в таких важных параметрах, как чувствительность и динамический диапазон. При неблагоприятных условиях, например при недостаточной или неравномерной освещенности, эти параметры оказываются более важными, чем разрешающая способность как для человека, так и для видеоаналитики

Н.В. Птицын
Генеральный директор ООО "Синезис"

В.Б. Булычева
Инженер ООО "Синезис"

Охранная видеоаналитика – молодая амбициозная технология. Системы аналитической обработки видео пока мало распространены, а после внедрения зачастую не отвечают ожиданиям заказчика. С другой стороны, непрерывное совершенствование технологии с точки зрения точности распознавания и удобства эксплуатации, а также широкого внедрения отраслевых стандартов (ONVIF, PSIA) делает видеоаналитику более привлекательной для конечного пользователя. Растущая популярность мегапиксельных камер усиливает актуальность видеоаналитики. При переходе на режим HD многократно увеличивается потребность в пропускной способности сетевых каналов и дискового пространства, часто выше технически возможного уровня. Особенно проблематично расширение каналов связи протяженных и/или удаленных объектов. Видеоаналитика позволяет отказаться от непрерывной трансляции видео и перейти к событийной видеорегистрации. Другими словами, видеоаналитика может автоматически формировать управляющий сигнал для начала и конца трансляции видео HD при возникновении объекта наблюдения в поле зрения камеры. Для реализации такого сценария работы видеоаналитика должна быть встроена в передающее устройство, например камеру или энкодер.

Точность видеоаналитики HD

В чем преимущества мегапиксельной видеоаналитики? Очевидно, высокая детализация сцены при использовании камеры HD повышает точность детектирования, сопровождения и классификации целей, как в автоматическом режиме при помощи видеоаналитики, так и при "ручном" наблюдении оператором. В задачах охраны периметра можно говорить о заметном увеличении угла охвата и/или дальности действия одной камеры. В то время как дальность действия камеры SD составляет 40–90 м в зависимости от качества оборудования и условий наблюдения, дальность действия камеры HD в хороших условиях может составлять 150 м.

На графике представлена типовая зависимость интегрального показателя точности F1 от расстояния между наблюдаемым объектом и камерами стандартной (SD) и высокой (HD) четкости для сценариев "Охрана периметра в стерильной зоне". Зелеными линиями показаны характеристики видеосистемы при благоприятных условиях наблюдения. Красными – при неблагоприятных условиях, предполагающих наличие таких факторов, как осадки (дождь, снег, туман), недостаточное освещение, дрожание камеры, неоднородная плотность воздуха из-за нагрева поверхности, загрязнение объектива, неравномерность освещения. Сплошными линиями показаны характеристики камеры HD, штриховыми – камеры SD. Обе камеры имеют идентичную аппаратно-программную платформу и настройки и различаются только сенсорами. Как видно из графиков, при идеальных условиях наблюдения дальность видеоаналитики HD составляет 120 м, а дальность видеоаналитики SD – 80 м при точности F1 = 0,90. Дальность действия 40–50 м практически совпадает у HD- и SD-системы для высокой точности F1= 0,99.


При неблагоприятных условиях видеоаналитика HD проявляет себя немного хуже, чем аналитика SD из-за большей зашумленности изображения. Важная задача разработчика мегапиксельной камеры – обеспечить высокое качество изображения на сценах со сложным освещением. Отметим, что в задачах распознавания лиц переход на режим HD обеспечивает более значительный прирост точности.

Типовая зависимость интегрального показателя точности F1 от расстояния между камерой и наблюдаемым объектом для камер стандартной (SD) и высокой (HD) четкости. Необходимым условием достижения высокой дальности действия камеры является сбалансированность технических характеристик сенсора, оптики и вычислительной части. Переход на HD ставит перед разработчиками видеоаналитики новые трудные задачи (см. таблицу).

Адаптивное сжатие динамического диапазона

Алгоритм Iridix, разработанный и запатентованный английской компанией Apical Imaging, использует ортогональное ритино-морфическое преобразование изображения. Настоящий метод сжатия динамического диапазона отличается от более простых аналогов тем, что к каждому пикселю изображения применяется индивидуальное гамма-преобразование в тоновом и цветовом пространстве. Метод использует результаты исследования зрения человека, где нейроны сетчатки глаза осуществля- ют сжатие регистрируемого изображения перед передачей по зрительному нерву в зрительную кору. Алгоритм Iridix часто комбинируется с алгоритмами подавления шума в пространственной и частотной областях.

Пути решения проблем, возникающих при переходе с SD на HD

Проблемы при переходе с SD на HD Входящий поток данных для видеоаналитики HD (0,88 Мпкс для режима 720p, 1,98 Мпкс для режима 1080p) в 2-5 раз превышает поток SD (0,40 Мпкс для режима PAL). Одновременно возрастает количество анализируемых объектов, что приводит к нелинейному росту вычислительной сложности. Эти факторы значительно ограничивает масштабируемость серверной видеоаналитики до 1-2 каналов на 1 ядро центрального процессора Предлагаемые пути решения Распределение вычислений между передающей и приемной частями системы видеонаблюдения при помощи встроенной видеоаналитики. Использование новых алгоритмов видеоаналитики с управляемой ресурсоемкостью и детерминированным временем обработки одного кадра
Зона контроля камеры HD может быть существенно больше, чем у камеры SD, что увеличивает требования к динамическому диапазону. Другими словами, на большей территории может быть более значительный перепад между самым светлым и самым темным уровнем яркости. При этом сенсоры HD обычно имеют диапазон до 70 дБ, в то время как сенсоры SD- до 120 дБ. Видеоаналитика не регистрирует объекты в зонах за рамками стандартного динамического диапазона Использование сенсоров нового поколения, сочетающих мегапиксельное разрешение и широкий динамический диапазон (WDR). При этом видеоаналитика должна тоже поддерживать режим WDR, то есть обрабатывать более 8 бит на пиксель. Использование видеоаналитики WDR и/или алгоритмов адаптивного сжатия динамического диапазона, например Iridix
Сенсоры HD часто уступают сенсорам SD по чувствительности в несколько раз из-за меньшего размера светочувствительного элемента. Видеоаналитика не регистрирует объекты при слабой освещенности Использование сенсоров нового поколения, сочетающих мегапиксельное разрешение и высокую чувствительность. Автоматическое включение режима пространственного и временного бининга (Bining) пикселей при недостаточной освещенности. Использование высокочувствительных детекторов
В широкоугольной камере HD могут быть более существенные геометрические искажения изображения (типа "бочки") и более значительные вариации масштаба объектов. Подобные искажения значительно снижают точность распознавания Совершенствование алгоритмов калибровки камеры, внедрение нелинейных преобразований координат из 2D- в 3D-пространство. Использование многомасштабных алгоритмов видеоанализа
Диапазон вариации пиксельных габаритов объектов меняется более значительно от переднего плана к заднему. Невозможно подобрать параметры видеоаналитики для однородной обработки кадра целиком Применение многомасштабных методов видеоанализа. Совершенствование алгоритмов калибровки камеры с целью более точного подбора правильного масштаба для детектирования, сопровождения и классификации объектов

Для получения отдачи от сенсора HD необходимо, чтобы аналитическая обработка кадра производилась на исходном разрешении. Большинство видеоаналитических систем осуществляют обработку изображения на разрешении 320x240 пкс или еще меньшем. Остро встает вопрос увеличения при анализе изображения на сервере, где многократно увеличиваются вычислительные затраты не только на видеоаналитику, но и на декомпрессию потока. Таким образом, более разумным представляется наращивание мощности встроенной видеоаналитики, что позволяет избежать избыточных вычислений на декомпрессию потока на высоком разрешении.

Важным преимуществом мегапиксельной видеоаналитики "на борту" является возможность обработки видео до его сжатия. Даже самые современные кодеки сжимают кадр с равномерным качеством по всему изображению. На практике различные области кадра могут существенно отличаться с точки зрения важности детализации для видеоаналитики. На переднем плане детализация не является столь важной, чем на дальнем. Потеря детализации (размывание) кадра в пространственной и временной области приводит к снижению чувствительности детекторов на дальних рубежах, что понижает эффективную дальность действия системы наблюдения. Этот недостаток серверной видеоаналитики проявляется в большей степени в системах HD, чем в системах SD.

Обзор коммерческих решений

Доступны ли сегодня на рынке решения с мегапиксельной видеоаналитикой? Несколько производителей демонстрировали видеоанализ высокого разрешения на выставках, но о полноценных коммерческих внедрениях пока говорить не приходится. Большинство компаний предлагают камеры HD с видеоаналитикой, возможности которой не соответствуют разрешающей способности сенсора. Например, техасская компания CoVi Technologies успешно продает камеры с сенсором 1 Мпкс и встроенной видеоаналитикой ObjectVideo, обрабатывающей поток всего лишь 0,07 Мпкс (320x240 пкс). Аналогично камеры семейства IQeye Pro Line работают с видеоаналитикой стандартной четкости via:sys или Agent Vi. Очевидно, что дальность автоматического обнаружения целей в таких системах значительно отстает от оптических возможностей камеры.

Хорошие мегапиксельные камеры, например Axis Q1755, оснащены базовой аналитикой, которая решает определенный класс задач, например детектирования движения в офисе или тамперинг-сигнализации, но не подходит для уличного наблюдения при охране периметра или общественных мест. К камере Axis можно подключить серверную видеоаналитику, но, как было отмечено выше, она не позволяет раскрыть потенциал мегапиксельного сенсора из-за искажений и высоких вычислительных затрат декомпрессии.

В апреле 2010 г. на конференции ICS West в Лас-Вегасе американская компания VideoIQ продемонстрировала мегапиксельную видеоаналитику, заявив о том, что представленное решение потребляет в 8 раз меньше вычислительных ресурсов, чем аналогичные системы, и это позволило реализовать встроенную обработку потока 1080p в реальном масштабе времени. С другой стороны, на основе этой демонстрации нельзя сказать, что аналитика VideoIQ соответствует современным требованиям: разработчик представил всего лишь детектор движения HD, в то время как самые сложные компоненты – трекинг (сопровождение) объектов и работа с изменяющимся фоном – остались за кадром.

Израильская компания ioimage интегрировала более сложную видеоаналитику в 3-мегапик сельную камеру ioicam mmp100dn. В отличие от VideoIQ в камере используются два сигнальных процессора, что позволяет реализовать трекинг и реальные тревожные сценарии: пересечение сигнальной линии, оставленный предмет, исчезновение предмета и др. К сожалению, разработчик не указывает в открытых источниках разрешающую способность и дальность действия видеоаналитики.

Российская компания "БайтЭрг" недавно запустила камеру МВК-IP67-CMOS-1,3Mp. В камере используется мощный сигнальный процессор DaVinci TMS320DM6467 на частоте 729 MГц компании Texas Instruments и мегапиксельная видеоаналитика "Синезис". Мегапиксельная камера "БайтЭрг" может в режиме HD контролировать территорию в 2–3 раза больше по сравнению с режимом SD. Семейство камер Cisco 4000 Series HD IP Cameras построено на том же процессоре TMS320DM6467, но использует более простую видеоаналитику ObjectVideo стандартной четкости.

Российская компания "Синезис" ведет разработку аппаратно-программной платформы для интеллектуальной камеры высокой четкости. Особенностью этой платформы является уникальный КМОП-сенсор, обеспечивающий видеопоток 1,2 Мпкс на 45 кадрах в секунду и исключительно широкий динамический диапазон 120 дБ, ранее доступный только в камерах SD. Разрядность сенсора составляет 20 бит на канал, поэтому применяется интеллектуальная технология сжатия динамического диапазона Iridix. При этом видеоаналитика работает на исходном разрешении сенсора. По мнению разработчиков, технические характеристики камеры будут как никогда приближены к физическому пределу.

В заключение отметим, что мегапиксельная видеоаналитика является перспективным направлением развития охранного видеонаблюдения. Она позволяет существенно повысить точность распознавания ситуаций и/или дальность действия системы безопасности, а также более полно использовать инфраструктуру хранения и передачи данных. Однако переход на мегапиксельную аналитику требует фундаментальной переработки существующих алгоритмов обработки видео. Внедрение видеоаналитики HD невозможно только за счет увеличения количества серверов, частоты процессора и объема памяти.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #4, 2010
Посещений: 9509

  Автор

Птицын Н. В.

Птицын Н. В.

Генеральный директор ООО "Синезис"

Всего статей:  33

  Автор

Булычева В. Б

Булычева В. Б

Инженер ООО "Синезис"

Всего статей:  1

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