Цифровая стабилизация изображения в FullHD-видеокамерах

Профессиональное видеонаблюдение – это такая область, где даже самая мелкая деталь может иметь важнейшее значение. Недаром идет непрестанное увеличение разрешения видеокамер и производители соревнуются, кто сможет представить на рынок новейшую модель с еще большим количеством мегапикселей. Ведь высокое реальное разрешение как раз и позволяет видеть те самые мелкие детали. Раньше задачи распознавания решались только на достаточно близком расстоянии от камер. Теперь же видеокамера может находиться на значительном удалении от наблюдаемого объекта и при этом передавать все происходящее на сцене с достаточной детализацией.

Для профессионалов сцены из фильмов, в которых происходит бесконечное увеличение изображения за счет использования фантастических алгоритмов, всегда были комичными. Однако высокое реальное разрешение позволяет без использования каких-то сюрреальных технологий получать максимально детализированное изображение. И наиболее сбалансированными сейчас являются FullHD-камеры, осуществляющие съемку с разрешением 2 Мпкс. Несколько лет назад они только появились на рынке и проигрывали более ранним моделям по чувствительности (реальному разрешению при низкой освещенности) и величине потока (требуемому размеру архива на видеосервере для полноценного видеомониторинга 24/7). А сейчас благодаря новым высокочувствительным сенсорам и применению новейших алгоритмов кодирования эти модели стали практически минимальным вариантом, используемым инсталляторами.

Реальное разрешение зачастую значительно меньше заявленного вследствие воздействия разнообразных внешних факторов. И одной из причин, приводящих к этому, является воздействие на видеокамеры механической вибрации в месте установки. Подобная вибрация практически всегда сопутствует видеокамерам, установленным вдоль автомобильных дорог на столбах или специальных мачтах. В этом случае она возникает вследствие сильного ветра и нестабильности используемой конструкции. Кроме того, на камеру может непосредственно передаваться и вибрация от техногенного источника. Зачастую (особенно при видеонаблюдении в помещении) рядом оказывается какой-то мощный источник вибрации: генератор, лифт, входная дверь. Кроме смазывания изображения при эксплуатации в таких условиях, происходит "дребезжание" картинки и заметное увеличение потока. Главная проблема состоит в том, что вибрация является непредсказуемым процессом, не может быть учтена, описана, а значит и полностью скомпенсирована определенным алгоритмом. Подобное ухудшение изображения сильно усложняет задачу детекции, а тем более распознавания. К примеру, при распознавании автономеров ПО может не справляться с такими условиями и выдавать большое количество ошибок. Стоит учитывать, что для длиннофокусных объективов влияние вибрации будет наиболее критичным и даже небольшое перемещение камеры может вызывать колоссальное смещение картинки. При больших увеличениях это недопустимо. А ведь малая вибрация присутствует практически всегда, но обычно ее просто не замечают.

Поэтому важной для инсталлятора, а следовательно и производителя становится разработка способов борьбы с подобным. Полноценное решение этой проблемы заключается в применении оптической стабилизации в объективах видеокамер. Но такие камеры практически отсутствуют на рынке и являются скорее дорогостоящими проектными устройствами. Другой вариант, куда более доступный и распространенный, – использование программной стабилизации изображения. Подобные алгоритмы стабилизации могут называться по-разному: EIS – Electronical Image Stabilization, DIS – Digital Image Stabilization. Существует подход, при котором в камере используется гиросенсор. Его перемещения передаются в процессор камеры и учитываются при программной обработке изображения для компенсации вибрации. Еще есть несколько достаточно экзотических вариантов для видеонаблюдения. Ну и наконец, инсталляторы зачастую просто игнорируют мелкую вибрацию камеры, лишь иногда подстраивая сбившуюся фокусировку.

Преимущества и недостатки разных типов стабилизации изображения указаны в табл. 1.

Чтобы посмотреть, что же из себя представляют цифровые алгоритмы стабилизации как самый доступный вариант компенсации вибрации, мы решили провести тестирование.

Принцип работы алгоритмов цифровой стабилизации изображения

Принцип работы алгоритмов цифровой стабилизации изображения заключается в программной обработке видеосигнала, поступающего с сенсора камеры. При включении режима стабилизации видеокамера фиксирует центр изображения. Камера транслирует часть потока ("кроп"), обрезая полосу изображения по периметру. При возникновении перемещения (при вибрации) она "следит" за перемещением центра изображения, передвигая область трансляции по площади кадра вслед за перемещением. Таким образом, амплитуда цифрового стабилизатора ограничена периметральной областью, вырезанной из площади изображения.

Как будем проводить измерения?

Все измерения будем проводить при одинаковом угле обзора у камер. Оценим общее качество съемки камер, определив реальное разрешение при помощи типовой тестовой таблицы при снижении освещенности от 500 до 1 лк, не используя ИК-подсветку.

Заданные амплитуда и частота вибрации в нашем тесте характерны для конструкций, на которые устанавливают камеры (столбы, мачты над автомагистралями). Частота вибрации составляла 1 и 5 Гц, а смещение изображения в объективе камеры по отношению к полному размеру кадра равнялось 2, 6 и 11%. Влияние этой вибрации на качество съемки будем оценивать по нескольким факторам.

Первым будет разрешение камеры при воздействии вибрации и при воздействии вибрации и включенном алгоритме стабилизации. А вторым фактором будет отношение перемещения изображения при воздействии вибрации к перемещению изображения при воздействии вибрации с включенным алгоритмом стабилизации.

BEWARD SV2015M

Предоставлена НПП "Бевард"

Самая дорогая камера в тесте, которая показала самое высокое разрешение и наилучшую стабильность разрешения при снижении освещенности. Продемонстрировала наибольшую эффективность алгоритма стабилизации изображения при больших амплитудах на 1 Гц и при малых на 5 Гц . Лидирует по величине разрешения при малой амплитуде и вибрации на 1 Гц при выключенном алгоритме стабилизации. На этой же частоте включение алгоритма стабилизации позволяет сохранить разрешение даже при воздействии вибрации.

Производитель отмечает, что камера снабжена чувствительным сенсором SONY Exmor R, что позволяет ей записывать качественное видео с высокой цветопередачей и малым уровнем шума в условиях недостаточной освещенности, а также при работе с короткой выдержкой для наблюдения быстро движущихся объектов.

По словам производителя, поддерживаемая функция ABF преобразует объектив с типом крепления CS в объектив с автофокусом для удаленного изменения положения матрицы, точно подстраивая таким образом фокусировку изображения. Заявлены поддержка режима высокоскоростной съемки (60 кадр/с), кодек H.265 совместно с режимом Smart Stream для повышения степени сжатия видео и 2-кратный расширенный динамический диапазон (Double Scan, 2xWDR).

В характеристиках указана встроенная поддержка расширенной видеоаналитики на восемь функций: подсчет людей, пересечение линии, детекторы праздношатания, саботажа, людей, движения и входа/выхода в рамках заданной области (активация лицензии).

Bolid VCI-320

Предоставлена ЗАО НВП "Болид"

Камера имеет наименьшее (почти нулевое) снижение разрешения при включении алгоритма стабилизации во всех условиях. Лидирует по эффективности алгоритма стабилизации изображения при малых и средних амплитудах на 1 Гц и занимает второе место по этой величине на 5 Гц. Имеет наилучшее разрешение при вибрации 5 Гц.

Производитель описывает модель как цветную видеокамеру, предназначенную для работы в составе комплекса видеонаблюдения и непрерывной трансляции видеоизображения с охраняемой зоны на системы отображения, записи, хранения и воспроизведения видеоизображения. Производитель оснастил свою камеру аудиовходом и аудивыходом для подключения дополнительного звукового оборудования. В модели заявлен разъем DI/DO для приема/отправки и обмена цифровыми сигналами с внешними устройствами.

Для более экономного использования видеоархива камера поддерживает видеозапись с помощью кодека Н.265. В камере заявлен встроенный адаптер PoE для питания по кабелю сети Ethernet и слот для карты microSD, позволяющий сохранять видео даже при отсутствии сетевого подключения.

Производитель отмечает, что видеокамера обладает расширенным динамическим диапазоном 140 дБ для одновременного отображения ярких и темных участков одного кадра и высокой чувствительностью в условиях плохой освещенности.

NOVIcam PRO NC24P

Предоставлена компанией NOVIcam

Камера входит в число лидеров по величине и стабильности разрешения, причем при хорошей освещенности показывает достаточно близкие к лидеру значения.

Модель не оснащена функцией цифровой стабилизации изображения. IP-видеокамера исполнена в классическом корпусе и, по словам производителя, передает изображение FullHD с разрешением 1080р, 25 кадр/с и обеспечивает детализированный обзор. По информации производителя, связка мегапиксельного сенсора SONY и производительного процессора превращает камеру в мультифункциональное устройство. Заявляется возможность подключения к камере микрофона и динамиков, датчиков тревоги и реле, карты памяти, что должно позволить организовать на ее основе полноценную систему видеонаблюдения.

На одну из боковых сторон вынесен разъем автоматической регулировки диафрагмы (АРД) для электронного управления световым потоком. Поддержка технологии РоЕ позволит использовать один кабель для передачи питания и данных.

Производитель подчеркивает, что для простоты настройки и удаленного доступа к камере предоставляется бесплатный облачный сервис P2P. Поддержка стандарта ONVIF предназначена для обеспечения связи с популярными IP-видеорегистраторами и программным обеспечением. Заявляется широкий диапазон рабочих температур, позволяющий использовать камеру даже в неотапливаемых помещениях.

Noname

Предоставлена лабораторией CCTVLab

Ожидаемо отстает от других камер по величине разрешения и качеству работы алгоритма цифровой стабилизации изображения практически при всех условиях. Однако показывает рост эффективности алгоритма стабилизации при частоте вибрации 5 Гц, в итоге выигрывая у других моделей при больших амплитудах.

Модель является типовой видеокамерой из китайского интернет-магазина и оснащена сенсором SONY IMX123. Преимуществом этой конкретной модели является поддержка алгоритма цифровой стабилизации изображения.

Результаты испытаний

Во всех камерах наблюдалось закономерное снижение разрешения при снижении освещенности (рис. 1).

По графикам (рис. 2 и рис. 3) становится заметно, что в большинстве камер при увеличении амплитуды вибрации происходит закономерное падение разрешения. В основном разрешение камер при включенном алгоритме немного ниже, чем когда он выключен.

Чем выше амплитуда и частота вибрации, тем меньше разница между величинами разрешений при съемке с выключенным алгоритмом и при его включении. Интересно, что при частоте 1 Гц алгоритм стабилизации одной из камер отрабатывает вибрацию без видимого ухудшения изображения.

При оценке эффективности работы алгоритма стабилизации можно заметить много интересных особенностей.

Эту эффективность вычисляли при воздействии вибрации как отношение амплитуды колебания изображения к амплитуде колебания изображения при включенном алгоритме стабилизации изображения. Получилось, что алгоритмы стабилизации камер более эффективны на частоте 1 Гц (рис. 5), причем эффективность с увеличением амплитуды вибрации только возросла.

А вот при частоте 5 Гц (рис. 6) эффективность с ростом амплитуды вибрации незначительно росла только у одной камеры, а у двух других заметно снижалась.

При большой амплитуде вибрации на частоте 5 Гц амплитуда перемещения изображения у этих двух камер при включенном алгоритме сравнялась с амплитудой при выключенном алгоритме.

Если же рассмотреть все результаты в совокупности, то можно отметить, что камеры лучше справились с вибрацией на 1 Гц. Можно предположить, что производители настраивали свои алгоритмы именно на такие условия.

Подведем итоги

По результату тестов данных образцов камер можно сделать следующие важные выводы. Алгоритм стабилизации изображения при его включении снижает разрешение камеры, даже при съемке статичного изображения при отсутствии вибрации. И далее разрешение падает с увеличением амплитуды и частоты вибрации, стабилизатор позволяет лишь сохранить разрешение на том же уровне либо ухудшает его еще больше. Но в то же время алгоритм цифровой стабилизации значительно сокращает амплитуду колебаний изображения, снижая скачок битрейта из-за вибрации, что позволяет более стабильно работать различным алгоритмам аналитики, таким как распознавание номеров, детектор движения и т.д., а также делает просмотр видео более комфортным.

Отсюда следует главная рекомендация для инсталляторов: необходимо следить, чтобы на камере алгоритм стабилизации был выключен при отсутствии веского обоснования его включения (не столько самого наличия заметной вибрации камеры в месте установки, сколько именно влияния этой вибрации на качество выполнения системой видеонаблюдения конкретных задач).

Изображение сгенерировано нейросетью Kandinsky

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" №2, 2019

Посмотреть результаты испытания других типов видеокамер >>