Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Разрешение 700 ТВЛ! Это предел?

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

Разрешение 700 ТВЛ! Это предел?

Разрешение телекамеры замкнутой системы телевидения всегда являлось важнейшим параметром, характеризующим как качество самой камеры, так и системы CCTV в целом. Разрешение определяет детальность получаемого изображения и в конечном итоге его информативность. В телекамерах, построенных на основе дискретных датчиков изображения – матрицах CCD или CMOS, – в результате оно определяется количеством чувствительных элементов – пикселей
Н.И. Чура
Технический консультант 000 "Микровидео Группа"

В системах, основанных на телевизионных форматах, типовое разрешение по вертикали определяется стандартом разложения. Горизонтальное разрешение ограничено двумя принятыми значениями – стандартным и высоким. Это обусловлено мировыми телевизионными стандартами и ассортиментом выпускаемых матриц тех немногих компаний, которые производят датчики изображений. Особенно это относится к CCD.

В рамках существующих значений числа эффективных пикселей производимых матриц высокого разрешения CCIR 440к/EIA 380к и стандартного разрешения CCIR 290к/EIA 250к производители телекамер стремятся получить максимально возможное горизонтальное разрешение. И если это не всегда удается осуществить в действительности, пытаются реализовать хотя бы на бумаге, в заявленных технических характеристиках. Продавцы идут тем же путем с еще большим энтузиазмом.

Предельно достижимое разрешение было определено еще на заре развития дискретных приемников изображения. Техническая общественность договорилась о значении полуэмпирического коэффициента пересчета числа пикселей в число телевизионных линий – Kell-фактора. Уже лет десять назад сложилась странная ситуация, когда серьезные бренды предлагали за много сотен долларов черно-белые камеры на 380 ТВЛ, а начинающие производители из Южной Кореи и Тайваня – аналогичную продукцию с разрешением 420 ТВЛ по цене меньше сотни "американских рублей". И все это на аналогичных матрицах.

В любом случае реальное повышенное разрешение не может быть излишним. Бурное развитие в последние годы IP-наблюдения, где формат изображения не ограничен стандартом, а его разрешение может быть совершенно различным в камерах одной системы, показало, кроме всего прочего, высокую востребованность изображения высокого разрешения. Можно считать, что изображение в 1,3 Мпкс в IP-системах уже стало типовым. На очереди более широкое применение изображений в 2,5, а также 3 и даже 5 Мпкс. Примечательно, что изображение в 1,3 Мпкс кардинально отличается от типового телевизионного, а вот рост до 2,5 Мпкс практически мало заметен. Возможно, это объясняется ростом количества нерабочих пикселей на матрицах бюджетного уровня, которые удаляются функцией Blemish, когда "битые пиксели" компенсируются за счет соседних.


Естественно, у IP-систем есть серьезные недостатки, а для некоторых задач просто непреодолимые. Прежде всего это принципиальная задержка демонстрации изображения, обусловленная пакетным способом передачи сигнала. В серьезных системах со скоростными поворотными камерами, требующими оперативного реагирования, такое управление просто невозможно. По этой же причине поддержание максимальной частоты смены кадров для адекватной передачи изображения движущегося объекта становится проблематичным, особенно для мегапиксельных камер. Провозглашаемое высокое качество изображения благодаря высокому разрешению с прогрессивной разверткой в результате неизбежного сжатия для уменьшения трафика ухудшается искажениями и неизбежными артефактами.

Для бюджетных моделей CMOS-камер при построчном экспонировании (Rolling Shutter) на больших выдержках при малой освещенности характерны большие сдвиговые геометрические искажения. Переход на матрицы с покадровым экспонированием (Global Shutter) увеличивает и без того серьезную стоимость оборудования.

IP-видеонаблюдение требует более высокой квалификации для монтажа и настройки оборудования, особенно при стремлении создать не столько бюджетную, сколько надежную и четко действующую систему. Вместе с тем возможность нестандартно высокого разрешения стимулирует высокий спрос во всех разделах видеонаблюдения. До последнего времени IP-системам здесь не было альтернативы.

Видеонаблюдение высокой четкости

Как естественный и ожидаемый ответ от аналоговых систем можно рассматривать создание нового направления видеонаблюдения – HDcctv. Альянс HDcctv, объединивший ряд известных компаний (CSST, Gennum, Stretch, AltaSens, blueCaps, Clinton Electronics, Comart, COP UK, EverFo-cus, theHDcctv.com, IDIS, Marshall Electronics, OmniVision, Ovii, Pixim, Speco Technologies и Win4NET), работающих в области видеонаблюдения, уже сформулировал         стандарты, определяющие высокое качество изображения.

Альянс HDcctv сотрудничает с SMPTE (Общество инженеров кино и телевидения) по использованию семейства профессиональных видеоинтерфейсов, известных как HD-SDI, охватывающих передачу форматов с разрешением 720p (1280x720 пкс) и 1080i (1920x1080 пкс) на скорости потока около 1,5 Гбит/с (1,485 Гбит/с) и 1080р (1920x1080 пкс) на скорости потока около 3 Гбит/с (2,97 Гбит/с).

В соответствии с лицензионным соглашением с SMPTE альянс HDcctv разработал спецификации передачи цифрового видеопотока стандарта HD-SDI. Данные передаются построчно, без сжатия и разбиения на пакеты, поэтому при передаче нет задержек, связанных с буферизацией и обработкой данных. Помехоустойчивость обеспечивается с помощью линейного кодирования. Формат 720р обеспечивает в 3 раза большее разрешение по сравнению с аналоговым видеонаблюдением, а 1080р – в шесть раз большее.


Предполагалось, что переход на изображение высокой четкости с прогрессивной разверткой потребует замены только камер и регистраторов с максимальным сохранением уже созданной кабельной сети работающих систем. При этом будет обеспечиваться видеонаблюдение высокой четкости (HD) без задержек, графических артефактов, видимых искажений или дрожания. В этом случае могут сохраниться стандарты Plug-and-Play, характерные для аналоговых систем безопасности и оборудования.


Связь между камерами и регистратором может обеспечиваться стандартным коаксиальным кабелем (RG-59, RG-6 и RG-11) с соответствующим ограничением дальности в зависимости от качества применяемого кабеля. Есть данные по реальной модернизации систем видеонаблюдения, когда удавалось обеспечить HD-сигнал на дальности 260 м по RG-6 и до 80 м по RG-59. При этом на старых видеокабелях RG-59 низкого качества достижимая дальность может сократиться до 30–50 м. 

Таким образом, HDcctv является реальной альтернативой для реализации высокоскоростного видеонаблюдения высокой четкости, особенно с применением скоростных поворотных камер, управляемых профессиональными операторами. Причем переход на новый стандарт не требует массовой переподготовки персонала. Более того, может быть использована существующая кабельная инфраструктура в системах с небольшими дальностями. Единственное отличие и преимущество состоят в том, что операторы знакомы с системой безопасности, при этом имеется большой выбор доступных разрешений, часть из которых являются исключительно высокими. Подобные системы наиболее применимы на ответственных объектах при большом объеме прямого наблюдения, например на спортивных сооружениях, в казино и развлекательных комплексах.

Разрешение традиционного видеонаблюдения

В технике традиционного видеонаблюдения, основанного на стандартах телевидения, также идет борьба за повышение разрешения, в данном случае горизонтального, поскольку вертикальное определяется стандартом чересстрочной развертки. Как уже указывалось выше, теоретический предел разрешения по горизонтали оценивается Kell-фактором от числа эффективных пикселей по горизонтали. Для камер черно-белого изображения его значение около 0,7–0,75. В матрицах черно-белого и цветного изображения количество пикселей неизменно. Они различаются только наличием в последних цветного мозаичного фильтра Байера. В CCD это фильтр структуры CMYG, когда один элемент яркости изображения формируется четырьмя пикселями, по два из соседних строк. Использование подобного фильтра приводит к 2-кратному росту пропускания световой энергии, а соответственно и чувствительности в сравнении с RGB-фильтром, используемым в матрицах CMOS. Использование двух пикселей для создания одного элемента изображения приводит к естественному снижению разрешения камеры цветного изображения. В этом случае Kell-фактор оценивается около 0,6–0,64. Другими словами, теоретический предел разрешения матрицы высокого разрешения для стандарта PAL с 752 пкс по горизонтали должен составить около 460–480 ТВЛ. Эти данные подтверждаются прямым наблюдением изображения телевизионной таблицы (рис. 3), полученного с помощью любой из типовых камер цветного изображения высокого разрешения. Изображение получено на черно-белом мониторе с разрешением 1000 ТВЛ в центре экрана. На мониторе черно-белого изображения используется полный спектр составляющей яркости композитного сигнала.


Вообще, существует некоторая проблема демонстрации высокого разрешения цветного изображения. Достаточно распространены мониторы цветного изображения с s-video-входом, обеспечивающим 450–500 ТВЛ, но, к сожалению, камеры видеонаблюдения весьма редко имеют s-video-выходы в силу их невостребованности. Типовые мониторы цветного изображения, имеющие композитный видеовход, из-за входной фильтрации сигнала обеспечивают только 330–350 ТВЛ. Цифровые регистраторы при оцифровке композитного видеосигнала обеспечивают разрешение около 500 ТВЛ благодаря квазигребенчатой фильтрации. Наличие VGA- и s-video-выходов (помимо композитного выхода) может обеспечить практическую реализацию этого разрешения при наблюдении. Существующие мониторы цветного изображения специального назначения, обеспечивающие до 600–750 ТВЛ, к сожалению, чрезвычайно дороги.

Обещания и реальность

В современных телекамерах широко используются цифровые процессоры обработки изображений (DSP). Кроме стандартных функций баланса белого, АРУ, регулировки электронного затвора и т.д., обычно они выполняют широко востребованные сейчас функции WDR, DNR, D&N и DSS или Sense-Up. С одной стороны, это позволило существенно улучшить характеристики камер и расширить их функциональность. С другой стороны, это расширило возможности манипуляций с достигнутыми параметрами. Достаточно открыть любой каталог производителя камер видеонаблюдения, чтобы удивиться. Оказывается, разрешение в цвете давно превышает 580–600 ТВЛ, а в ночном чернобелом режиме и все 700 ТВЛ. И это несмотря на использование типовой цветной стандартной матрицы 752х582 пкс в обоих режимах с одинаковым принципом формирования изображения.


Иногда даже вместо активных приводится полное количество пикселей. Как будто числа 795х596 помогут обосновать подобные обещания. Интересны также иллюстрации изображений в рекламных материалах по DSP, предназначенных для подтверждения правоты обещаний (рис. 2). Даже на рекламном изображении не просматриваются обещанные 580 ТВЛ. Мы специально удалили наименование производителя, поскольку не он один "играет в эту игру с покупателем". Кроме того, надо учесть, что правая и левая картинки таблицы перепутаны местами. Примечательно, что каждая следующая модель DSP "увеличивает" разрешение на 20–40 ТВЛ. Вместе с тем нельзя не отметить, что благодаря цифровой обработке визуальное разрешение все-таки увеличивается на 50–60 линий относительно типового значения 450–470 ТВЛ (рис. 4). Реально наблюдаемое разрешение может достигать 500–520 ТВЛ. Правда, это часто приводит к появлению артефактов, особенно в бюджетных моделях (рис. 6). Подобным маркетинговым преувеличениям можно уже не удивляться. Примером этому может служить популярный сейчас метод накопления заряда, или электронное увеличение чувствительности (DSS, или Sensе-Up). Все поставщики упорно приводят запредельные значения получаемой чувствительности, которые иногда не соответствуют даже кратности накопления. Но из курса приемников известно, что чувствительность при прямом (не гетеродинном) приеме растет, как корень квадратный из кратности накопления. Это, конечно, хорошо подтверждается опытным путем.

Увеличение разрешения в аналоговом видеонаблюдении

В настоящее время уже созданы условия для кардинального повышения горизонтального разрешения изображения в стандартном телевидении. Это система Effio от SONY из матрицы 960H Super HAD CCD и сигнального процессора CXD 4112GG. Телекамеры с подобным комплектом уже появились даже в среднем ценовом диапазоне. Увеличение разрешения в данном случае достигнуто естественным путем при помощи матрицы с 960 пикселями по горизонтали и соответствующего процессора (рис. 1). В данном случае в цвете обеспечивается реальное разрешение 600 ТВЛ и практически при полном отсутствии муара и артефактов (рис. 5). Как обычно, обещания в черно-белом режиме обеспечить 750 ТВЛ не имеют под собой реальных оснований. Используемый DSP обеспечивает весь классический набор функций, включая такие важные, как расширение динамического диапазона, шумопонижение 2–3 DNR и режим "день/ночь". В системе неизбежно растет ширина спектра телевизионного сигнала относительно типовых матриц (рис. 7).


По сути, для того чтобы полностью воспользоваться полученными возможностями, необходимо применение регистраторов с повышенной частотой дискретизации и наличием выхода VGA с повышенным разрешением. Вместе с тем применение подобных камер целесообразно и в традиционных системах, хотя бы в местах с высокими требованиями по детальности изображения. В этом случае результирующее разрешение системы будет определяться только регистратором, то есть около 500 ТВЛ. Естественно, при этом не следует применять типовые видеомониторы с композитным входом, чтобы не снизить разрешение наблюдаемого изображения до 330–350 ТВЛ. К сожалению, в настоящее время даже выход XGA (1024х768 пкс) не является типовым для цифровых записывающих устройств. Сейчас основная масса устройств обеспечивает 800х600 пкс.

В заключение можно сделать вывод, что пресловутая цифра 700 ТВЛ стала уже практически достижима в видеонаблюдении, прежде всего в системах IP и HDcctv. В традиционном CCTV также еще есть возможность роста. Однако нужно с большой осторожностью относится к безответственным обещаниям некоторых производителей и продавцов получить сверхвысокое разрешение на типовых матрицах. Информация не восстанавливается, и никакой DSP не в состоянии вернуть потерянное.

Опубликовано: Каталог "CCTV"-2010
Посещений: 37234


  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