Системы видеонаблюдения за последние 10 лет. Часть 2

В это статье продолжим разговор о существенных изменениях в высокотехнологичной отрасли систем видеонаблюдения, произошедших в последнее десятилетие.

В ответ на стремительное развитие мегапиксельного IP-наблюдения, последовательно освоившего за FullHD разрешения в 3, 4, 5, 8 (4К) Мпкс и даже более, были созданы целых три формата HD с аналоговой передачей сигнала.

Аналоговые HD-форматы

Три крупнейших производителя из Китая и Южной Кореи, не согласовывая друг с другом и стремясь оттеснить конкурента, разработали внестандартные HD- и FullHD-системы видеонаблюдения с аналоговой передачей видеосигнала. Принципиальным отличием этих форматов от стандартного телевидения было спектральное разделение сигнала яркости и цветности. Но реальная несовместимость этих технологий вынудила производителей предлагать гибридные регистраторы и видеокамеры, работоспособные в любом из новых форматов AHD, HD-CVI и HD-TVI, включая и привычный аналог CVBS с разрешением 960Н. Практически эти события подвели черту под классическим видеонаблюдением. Вместе с тем некоторые мелкие производители продолжают предлагать классические аналоговые видеокамеры, особенно в миниатюрных модификациях.

Разработанные аналоговые стандарты постоянно совершенствуются. Во всех форматах заявляется возможность управления меню камеры, передача звука, растет дальность передачи сигнала и возможное разрешение, доходящее уже в некоторых форматах до 8 Мпкс (4К). К сожалению, не все обещания рекламных проспектов реально проявляются в конкретных образцах. Но, может, это проблемы модификаций?

4K в IP-наблюдении

Вершиной борьбы за разрешение можно считать внедрение нового формата IP на основе вещательного телевидения UHDTV (4К, 3840х2160 пкс) с кадром 16:9 и числом элементов разрешения 8,3 Мпкс. Достаточно большой маркетинговый шум и угрозы "немедленно перейти всему видеонаблюдению на 4К" к концу десятилетия несколько стихли. Сказались чрезвычайные затраты на камеры, оптику, систему регистрации и хранения. И это несмотря на увеличение разрешения "всего лишь в два раза". Значительно меньшая чувствительность (почти в пять раз) по сравнению с уже привычным форматом FullHD может создать большие проблемы при ночном и сумеречном наблюдении. Причем это для самой лучшей современной технологии CMOS STARVIS и для несколько большей матрицы (1/2,5") относительно упомянутой FullHD (1/2,8"). Кроме того, рост качества изображения 4K в вещательном формате предполагает значительное увеличение глубины цвета, а значит большую битность оцифровки каждого цвета до 10 и даже 12 бит, и самое главное – ее неискаженную передачу.

Рис. 1. Структура пикселя Super HAD и Super HAD II

Возможно, здесь могла бы помочь телевизионная технология расширения динамического диапазона сигналов яркости и цветности (HDR). Адекватная передача движения при столь высоком разрешении и контрасте требует повышенной кадровой частоты до 60 и даже 120 Гц. Без выполнения этих условий можно в сухом остатке получить картинку 4К, практически идентичную привычному формату FullHD. Другими словами, реальный переход на 4К наблюдения весьма непрост и ресурсоемок.

Передача качества – это новые кодеки

В начале десятилетия основными форматами в IP-наблюдении были HD и FullHD. После создания аналоговых вариантов этих форматов такие изображения стали базовыми. Наиболее употребляемыми для передачи в IP, регистрации на жесткий диск и декодирования для демонстрации этих изображений была пара кодеков H264/MJPEG.

Стремительный рост разрешения IP-видеокамер, а за ними камер и средств доставки сигнала и в аналоговом сегменте требовал все большей пропускной способности сетей и объемов жестких дисков, а значит создания более эффективных кодеков. С этой целью технология Н.264 была оснащена интеллектуальными алгоритмами, которые позволяют снизить уровень битрейта на 75%.

В целом остался все тот же стандарт Н.264, но он получил приставку "+", в результате чего появились Н.264+, имеющие заметные преимущества:

• систему управления битрейтом и регулировки;
• технологию интеллектуального кодирования, которая работает по модели фона;
• фоновый инструмент, предназначенный для подавления возникающего шума.

В начале десятилетия появились первые опыты с телевидением сверхвысокой четкости (Ultra High Definition Television). Впоследствии UHDTV получило два цифровых стандарта – 4K UHDTV (2160p) и 8K UHDTV (4320p). В 2010 г. группой экспертов по кодированию видео (JCT-VC) началась разработка нового стандарта сжатия для новейших поколений видео с высоким разрешением, получившего различные наименования (High Efficiency Video Coding (HVEC), MPEG-H Part 2, H.265), и специально ориентированного на новые форматы телевидения с предельно высоким разрешением и глубиной цвета.
Стандарт Н.265 работает на 50% эффективнее, чем кодек Н.264. Технология HEVC открывает перед пользователем его основное достоинство – высокоэффективное сжатие.

Алгоритмы и возможности Н.265 оказались подобны усовершенствованному кодеку Н.264+, что несколько затормозило широкое внедрение Н.265. Но именно этот кодек послужил основой для последующей интеллектуальной технологии Н.265+, которая снизила передаваемый объем информации относительно кодека Н.264 на 75%. Это по-настоящему открыло эру 4К в видеонаблюдении. Улучшенный коэффициент сжатия Н.265+ базируется на трех ключевых технологиях: снижении цифрового шума, предиктивном кодировании на базе изменяемого фона кадра и контроле битрейта в течение длительного времени. Для этого:

• обеспечивается акцент исключительно на движущемся объекте;
• статичный фон обрабатывается для минимизации его передачи;
• обработка видео производится, только если наблюдается движение;
• гарантируется высокий уровень подавления цифрового шума.

Предиктивное кодирование может быть разделено на внутрикадровое прогнозирование, которое создает следующий кадр, и несколько обработанных предыдущих кадров, где модели блока строятся на базе использования переданных раньше блоков того же кадра. Вместе с внутрикадровым прогнозированием битрейт может снизиться при помощи сжатия только отличающегося образа от образца частей кадра. Для высокого качества изображения движущегося объекта фоновое изображение будет кодироваться с высоким уровнем компрессии, чтобы подавить уровень шума и сэкономить место для движущегося объекта. Технология Н.265+ особенно актуальна в условиях нестабильной сети или в случае длительного времени хранения данных.

Последнее улучшение технологий CCD

Другим важнейшим параметром, определяющим качество изображения для системы видеонаблюдения, является чувствительность, или минимальная освещенность для камеры, которая напрямую определяется применяемым видеосенсором. Прошедшее десятилетие ознаменовалось серьезным развитием видеосенсоров. Практически закончилось совершенствование CCD-сенсоров для аналоговых камер стандартных телевизионных форматов. Были созданы матрицы по усовершенствованной технологии Super HAD II с большей эффективностью микролинз и площадью фоточувствительной поверхности, увеличенным пропусканием цветовых фильтров и сокращением толщины всей конструкции. На рис. 1 схематично представлены эти изменения.

Сверхчувствительная технология CCD Ex-view, созданная еще в конце 1990-х гг. под названием EX-wave, также была усовершенствована подобными технологическими методами, включая дополнительное увеличение ИК-чувствительности. Эта технология получила наименование Exview HAD II.

Чувствительность CMOS догоняет CCD

CMOS-технология очень перспективна для создания дешевых и экономичных сенсоров большой интеграции и высокого разрешения. Однако их традиционные архитектуры существенно уступали в чувствительности CCD из-за малой эффективности использования светочувствительной поверхности. Ряд последовательных усовершенствований структуры и конструкции этих сенсоров позволил им практически сравнятся по удельной чувствительности с CCD.

Это прежде всего прямая оцифровка сигнала с каждого столбца, а впоследствии и с каждого пикселя с увеличением битности до 10–12 бит, аналогичное управление и дискретизация времени накопления в пределах кадра. Такие методы снизили шум видеосигнала и открыли возможности для реализации аппаратного WDR (расширения динамического диапазона) с несколькими временами накопления, по сути аналогичного знаменитой технологии PIXIM. Эти усовершенствования получили наименование Exmor.
Второй метод увеличения эффективности использования света основан на перемещении светочувствительного слоя непосредственно к линзам и фильтрам пиксельной структуры. Он получил название BSI (технология обратной засветки). На рис. 2 представлены в разрезе структуры традиционной и BSI-матриц CMOS. Вышеперечисленные технологии, разработанные компанией SONY, стали повсеместно применяться под своими наименованиями другими производителями CMOS-сенсоров.

Рис. 2. Структура пикселя CMOS и CMOS BSI (Exmor R)

Последняя разработка SONY в сфере высокочувствительной технологии CMOS называется STARVIS и практически является совокупностью технологий Exmor и BSI, получившей обозначение Exmor R. Поначалу она была отработана в матрицах для мобильных гаджетов. В рекламных материалах провозглашается "фантастическая" чувствительность в 2000 мВ для 1 кв. мкм, правда, для времени накопления 1 с. В реальности для типового времени накопления, принятого для измерений в 1/30 с, получим для матриц FullHD с пикселем 2,9х2,9 кв. мкм удельную чувствительность в 90 мВ, а для матрицы 4K с пикселем 1,62х1,62 кв. мкм – 65 мВ. В таблице приведены средние значения удельной чувствительности для различных типов и технологий видеосенсоров.

Таблица. Средние значения удельной чувствительности для различных типов и технологий видеосенсоров

Кроме того, видеосенсоры STARVIS имеют еще большую относительно других технологий ИК-чувствительность, обеспечивающую широкие возможности ночного наблюдения и наблюдения с ИК-подсветкой. Единственное, что настораживает, – это использование демонстрационных изображений в технических описаниях с включенной и различной АРУ. Эта же сомнительная методология применяется производителями камер при указании чувствительности или минимальной освещенности с включенной АРУ, но без указания ее величины.

Заключение

В завершение обзора десятилетних достижений индустрии видеонаблюдения можно сделать несколько обобщающих выводов.
Пожалуй, важнейшими решениями, существенно повлиявшими на все направление технического прогресса в этой области, являются:

• создание практически внесистемных вариантов (AHD, CVI и TVI) аналоговой передачи HD-изображения, что позволило более широко применять популярный формат Full HD в более простых системах;
• создание новых эффективных кодеков семейства HVEC с высокой интеллектуальной адаптацией (H.264+, H.265 и H.265+), что позволило, кроме существенного сокращения трафика, применять практически кинотеатральные форматы 4К и 8К, пусть даже и потенциально;
• практическое объединение IP-видеонаблюдения с ИТ-индустрией, что создало целый спектр технологий и систем от создания "наблюдения как услуги" до высокоинтеллектуальных комплексов на основе искусственного интеллекта для эффективной защиты, контроля и управления сложными производственными, технологическими и жилыми системами.

Остальные упомянутые в обзоре интересные технические решения, которые в свое время занимали мысли и вызывали споры специалистов, теперь можно отнести только к истории развития видеонаблюдения в прошедшем десятилетии либо это лишь конструктивные особенности, такие как "носимые камеры" или комплекты "домашнего наблюдения в чемодане", не меняющие технической сути решений.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" №3/2020

Редакция советует

Лидерами мирового рынка систем видеонаблюдения являются китайские компании  Hikvision и Dahua Technology. 37-е место в международном рейтинге крупнейших производителей систем безопасности и 2-е место в рейтинге самых быстрорастущих компаний по версии престижного и авторитетного международного издания в области безопасности A&S Top Security 50 за 2018 г. занимает один из лидеров российского рынка видеонаблюдения – компания DSSL.